Svatko zna da se voda pojavljuje u tri agregatna stanja. Stavimo kuhalo za vodu, a voda počinje kuhati i isparavati, pretvarajući se iz tekućeg u plinovito stanje. Stavimo ga u zamrzivač i on se počinje pretvarati u led, prelazeći iz tekućeg u kruto stanje. Međutim, pod određenim okolnostima, vodena para prisutna u zraku može odmah prijeći u krutu fazu, zaobilazeći tekuću fazu. Ovaj proces poznajemo po rezultatu - prekrasnim uzorcima na prozorima na mraznom zimskom danu. Ljubitelji automobila, kada stružu sloj leda s vjetrobranskog stakla, često karakteriziraju ovaj proces koristeći ne baš znanstvene, ali vrlo emotivne i živopisne epitete. Na ovaj ili onaj način, detalji o nastanku dvodimenzionalnog leda bili su godinama obavijeni velom tajne. A nedavno je po prvi put međunarodni tim znanstvenika uspio vizualizirati atomsku strukturu dvodimenzionalnog leda tijekom njegovog formiranja. Koje se tajne kriju u ovom naizgled jednostavnom fizičkom procesu, kako su ih znanstvenici uspjeli razotkriti i čemu su njihova otkrića korisna? O tome će nam reći izvješće istraživačke skupine. Ići.
Osnova istraživanja
Ako pretjerujemo, onda su gotovo svi predmeti oko nas trodimenzionalni. No, ako neke od njih pažljivije razmotrimo, možemo pronaći i dvodimenzionalne. Kora leda koja se formira na površini nečega najbolji je primjer za to. Postojanje takvih struktura nije tajna za znanstvenu zajednicu, jer su analizirane mnogo puta. Ali problem je u tome što je prilično teško vizualizirati metastabilne ili srednje strukture uključene u formiranje 2D leda. To je zbog banalnih problema - krhkosti i krhkosti struktura koje se proučavaju.
Srećom, moderne metode skeniranja omogućuju analizu uzoraka s minimalnim utjecajem, što omogućuje dobivanje maksimalnog broja podataka u kratkom vremenskom razdoblju, zbog gore navedenih razloga. U ovoj studiji znanstvenici su koristili beskontaktnu mikroskopiju atomske sile, s vrhom mikroskopske igle obloženom ugljikovim monoksidom (CO). Kombinacija ovih alata za skeniranje omogućuje dobivanje slika u stvarnom vremenu rubnih struktura dvodimenzionalnog dvoslojnog šesterokutnog leda uzgojenog na zlatnoj (Au) površini.
Mikroskopija je pokazala da tijekom formiranja dvodimenzionalnog leda u njegovoj strukturi istodobno postoje dvije vrste rubova (segmenata koji povezuju dva vrha poligona): cik-cak (cik-cak) i u obliku stolice (fotelja).
Fotelja (lijevo) i cik-cak (desno) rubovi na primjeru grafena.
U ovoj fazi uzorci su brzo zamrznuti, što je omogućilo detaljno ispitivanje atomske strukture. Provedeno je i modeliranje čiji su se rezultati u velikoj mjeri podudarali s rezultatima promatranja.
Utvrđeno je da se u slučaju formiranja cik-cak rebara na postojeći rub dodaje dodatna molekula vode, a cijeli proces regulira premosni mehanizam. Ali u slučaju formiranja rebara naslonjača nisu otkrivene nikakve dodatne molekule, što je u velikoj suprotnosti s tradicionalnim idejama o rastu dvoslojnog heksagonalnog leda i dvodimenzionalnih heksagonalnih tvari općenito.
Zašto su znanstvenici za svoja promatranja odabrali beskontaktni mikroskop atomske sile umjesto skenirajućeg tunelskog mikroskopa (STM) ili prijenosnog elektronskog mikroskopa (TEM)? Kao što već znamo, izbor je povezan s poteškoćama proučavanja kratkotrajnih i krhkih struktura dvodimenzionalnog leda. STM se ranije koristio za proučavanje 2D leda uzgojenog na različitim površinama, ali ova vrsta mikroskopa nije osjetljiva na položaj jezgri, a njegov vrh može uzrokovati pogreške u slikanju. TEM, naprotiv, savršeno prikazuje atomsku strukturu rebara. Međutim, dobivanje visokokvalitetnih slika zahtijeva visokoenergetske elektrone, koji mogu lako promijeniti ili čak uništiti rubnu strukturu kovalentno povezanih XNUMXD materijala, da ne spominjemo labavije povezane rubove u XNUMXD ledu.
Mikroskop atomske sile nema takvih nedostataka, a vrh obložen CO-om omogućuje proučavanje međupovršinske vode s minimalnim utjecajem na molekule vode.
Rezultati istraživanja
Slika #1
Dvodimenzionalni led je uzgajan na površini Au(111) na temperaturi od oko 120 K, a debljina mu je bila 2.5 Å (1a).
STM slike leda (1c) i odgovarajuća slika brze Fourierove transformacije (umetnuta u 1a) pokazuju dobro uređenu heksagonalnu strukturu s periodičnošću Au(111)-√3 x √3-30°. Iako je stanična H-povezana mreža 2D leda vidljiva na STM slici, detaljnu topologiju rubnih struktura teško je odrediti. U isto vrijeme, AFM s pomakom frekvencije (Δf) istog područja uzorka dao je bolje slike (1d), što je omogućilo vizualizaciju dijelova strukture u obliku stolice i cik-cak. Ukupna duljina obje varijante je usporediva, ali je prosječna duljina rebra prethodnika nešto duža (1b). Cik-cak rebra mogu narasti do 60 Å u duljinu, ali ona u obliku stolice se tijekom formiranja prekrivaju defektima, što smanjuje njihovu najveću duljinu na 10-30 Å.
Zatim je provedeno sustavno AFM snimanje na različitim visinama igle (2a).
Slika #2
Na najvišoj visini vrha, kada AFM signalom dominira elektrostatska sila višeg reda, identificirana su dva skupa podrešetki √3 x √3 u dvodimenzionalnom dvoslojnom ledu, od kojih je jedan prikazan na 2a (lijevo).
Na nižim visinama igle, svijetli elementi ovog podniza počinju pokazivati usmjerenost, a drugi podniz se pretvara u element u obliku slova V (2a, centrirano).
Na minimalnoj visini igle, AFM otkriva strukturu saća s jasnim linijama koje povezuju dvije podrešetke, podsjećajući na H-veze (2a, desno).
Izračuni teorije funkcionalne gustoće pokazuju da dvodimenzionalni led narastao na površini Au(111) odgovara isprepletenoj dvoslojnoj strukturi leda (2s), koji se sastoji od dva ravna šesterokutna sloja vode. Šesterokuti dvaju listova su konjugirani, a kut između molekula vode u ravnini je 120°.
U svakom sloju vode polovica molekula vode leži vodoravno (paralelno s podlogom), a druga polovica okomito (okomito na podlogu), s jednim O–H usmjerenim prema gore ili dolje. Okomito ležeća voda u jednom sloju daje H-vezu vodoravnoj vodi u drugom sloju, što rezultira potpuno zasićenom strukturom u obliku slova H.
AFM simulacija korištenjem kvadrupolnog (dz 2) vrha (2b) na temelju gornjeg modela dobro se slaže s eksperimentalnim rezultatima (2a). Nažalost, slične visine vodoravne i okomite vode otežavaju njihovu identifikaciju tijekom STM snimanja. Međutim, kada se koristi mikroskop atomske sile, jasno se razlikuju molekule obje vrste vode (2a и 2b desno) jer je elektrostatska sila višeg reda vrlo osjetljiva na orijentaciju molekula vode.
Također je bilo moguće dodatno odrediti OH usmjerenost vodoravne i okomite vode kroz interakciju između elektrostatskih sila višeg reda i Paulijevih odbojnih sila, kao što je prikazano crvenim linijama u 2a и 2b (centar).
Slika #3
Na slikama 3a и 3b (Faza 1) prikazuje uvećane AFM slike cik-cak peraja i peraja naslonjača. Utvrđeno je da cik-cak rub raste zadržavajući svoju izvornu strukturu, a rastom ruba u obliku stolice rub se obnavlja u periodičkoj strukturi 5756 prstenova, tj. kada struktura rebara periodički ponavlja slijed peterokut - sedmerokut - peterokut - šesterokut.
Izračuni teorije funkcionalne gustoće pokazuju da su nerekonstruirana cik-cak peraja i peraja stolice 5756 najstabilnije. Rub 5756 nastaje kao rezultat kombiniranih učinaka koji minimiziraju broj nezasićenih vodikovih veza i smanjuju energiju deformacije.
Znanstvenici podsjećaju da bazalne ravnine heksagonalnog leda obično završavaju cik-cak rebrima, a rebra u obliku stolice nema zbog veće gustoće nezasićenih vodikovih veza. Međutim, u malim sustavima ili tamo gdje je prostor ograničen, peraje stolica mogu smanjiti svoju energiju pravilnim redizajnom.
Kao što je ranije spomenuto, kada je rast leda na 120 K zaustavljen, uzorak je odmah ohlađen na 5 K kako bi se pokušale zamrznuti metastabilne ili prijelazne rubne strukture i osigurao relativno dug vijek trajanja uzorka za detaljna proučavanja pomoću STM i AFM. Također je bilo moguće rekonstruirati proces rasta dvodimenzionalnog leda (slika br. 3) zahvaljujući CO-funkcionaliziranom vrhu mikroskopa, koji je omogućio otkrivanje metastabilnih i prijelaznih struktura.
U slučaju cik-cak rebara, pojedinačni peterokuti su ponekad pronađeni pričvršćeni za ravna rebra. Mogli su se poredati u niz, tvoreći niz s periodičnošću od 2 x aice (aice je konstanta rešetke dvodimenzionalnog leda). Ovo opažanje može ukazivati na to da je rast cik-cak rubova iniciran formiranjem periodičnog niza peterokuta (3a, korak 1-3), koji uključuje dodavanje dva para vode za peterokut (crvene strelice).
Zatim je niz peterokuta spojen u strukturu poput 56665 (3a, faza 4), a zatim vraća izvorni cik-cak izgled dodavanjem više vodene pare.
S rubovima u obliku stolice situacija je suprotna - nema nizova peterokuta, već se umjesto toga vrlo često uočavaju kratki razmaci poput 5656 na rubu. Duljina peraje 5656 znatno je kraća od one kod 5756. To je vjerojatno zato što je peraja 5656 jako opterećena i manje stabilna od 5756. Počevši od peraje za stolac 5756, prstenovi 575 lokalno se pretvaraju u prstenove 656 dodavanjem dva vodena para (3b, faza 2). Zatim, 656 prstenova raste u poprečnom smjeru, tvoreći rub tipa 5656 (3b, stupanj 3), ali s ograničenom duljinom zbog akumulacije energije deformacije.
Ako se šesterokutu rebra 5656 doda jedan vodeni par, deformacija se može djelomično oslabiti, a to će opet dovesti do stvaranja rebra 5756 (3b, faza 4).
Gornji rezultati su vrlo indikativni, ali je odlučeno da se potkrijepe dodatnim podacima dobivenim molekularno-dinamičkim proračunima vodene pare na površini Au (111).
Utvrđeno je da su se XNUMXD dvoslojni ledeni otoci uspješno i nesmetano formirali na površini, što je u skladu s našim eksperimentalnim opažanjima.
Slika #4
Na slici 4a Mehanizam skupnog stvaranja mostova na cik-cak rebrima prikazan je korak po korak.
U nastavku se nalaze medijski materijali o ovoj studiji s opisom.
Medijski materijal br.1
Vrijedno je napomenuti da jedan peterokut pričvršćen na cik-cak rub ne može djelovati kao lokalni nukleacijski centar za promicanje rasta.
Medijski materijal br.2
Umjesto toga, periodična, ali nepovezana mreža peterokuta u početku se formira na cik-cak rubu, a naknadne dolazeće molekule vode kolektivno pokušavaju povezati te peterokute, što rezultira stvaranjem lančane strukture tipa 565. Nažalost, takva struktura nije primijećena tijekom praktična zapažanja, što objašnjava njegov izuzetno kratak životni vijek.
Medijski materijal br.3 i br.4
Dodatak jednog vodenog para povezuje strukturu tipa 565 i susjedni peterokut, što rezultira stvaranjem strukture tipa 5666.
Struktura tipa 5666 raste bočno kako bi formirala strukturu tipa 56665 i na kraju se razvija u potpuno povezanu heksagonalnu rešetku.
Medijski materijal br.5 i br.6
Na slici 4b rast je prikazan kod rebra fotelje. Pretvorba iz prstenova tipa 575 u prstenove tipa 656 počinje od donjeg sloja, tvoreći kompozitnu strukturu 575/656 koja se ne može razlikovati od peraje tipa 5756 u eksperimentima, jer se može prikazati samo gornji sloj dvoslojnog leda. tijekom eksperimenata.
Medijski materijal br.7
Rezultirajući most 656 postaje nukleacijski centar za rast rebra 5656.
Medijski materijal br.8
Dodavanje jedne molekule vode rubu 5656 rezultira vrlo pokretljivom strukturom nesparene molekule.
Medijski materijal br.9
Dvije od ovih nesparenih molekula vode mogu se naknadno kombinirati u stabilniju heptagonalnu strukturu, dovršavajući pretvorbu iz 5656 u 5756.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate .
Epilog
Glavni zaključak ove studije je da promatrano ponašanje struktura tijekom rasta može biti zajedničko za sve vrste dvodimenzionalnog leda. Dvoslojni heksagonalni led formira se na različitim hidrofobnim površinama i pod uvjetima hidrofobnog ograničenja, te se stoga može smatrati zasebnim 2D kristalom (2D led I), čija je formacija neosjetljiva na temeljnu strukturu supstrata.
Znanstvenici iskreno kažu da njihova tehnika snimanja još nije prikladna za rad s trodimenzionalnim ledom, ali rezultati proučavanja dvodimenzionalnog leda mogu poslužiti kao osnova za objašnjenje procesa formiranja njegovog volumetrijskog srodnika. Drugim riječima, razumijevanje kako nastaju dvodimenzionalne strukture važan je temelj za proučavanje trodimenzionalnih. Upravo u tu svrhu istraživači planiraju unaprijediti svoju metodu u budućnosti.
Hvala na čitanju, ostanite znatiželjni i želim vam ugodan tjedan. 🙂
Neki oglasi 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, , jedinstveni analog poslužitelja početne razine, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji u Equinix Tier IV podatkovnom centru u Amsterdamu? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com