Mindenki tudja, hogy a víz három halmazállapotban fordul elő. Feltesszük a vízforralót, és a víz forrni kezd és elpárolog, folyékonyból gáz halmazállapotúvá válik. Betesszük a fagyasztóba, és elkezd jéggé alakulni, ezáltal folyékonyból szilárd állapotba kerül. Bizonyos körülmények között azonban a levegőben lévő vízgőz azonnal átjuthat a szilárd fázisba, megkerülve a folyékony fázist. Eredményéről ismerjük ezt a folyamatot – gyönyörű minták az ablakokon egy fagyos téli napon. Az autók szerelmesei, amikor jégréteget kaparnak le a szélvédőről, gyakran nem túl tudományos, de nagyon érzelmes és élénk jelzőkkel jellemzik ezt a folyamatot. Így vagy úgy, a kétdimenziós jég kialakulásának részleteit hosszú éveken át titok övezte. A közelmúltban pedig először sikerült egy nemzetközi tudóscsoportnak megjelenítenie a kétdimenziós jég atomi szerkezetét annak kialakulása során. Milyen titkok rejtőznek ebben az egyszerűnek tűnő fizikai folyamatban, hogyan sikerült a tudósoknak feltárniuk ezeket, és miben hasznosak az eredményeik? Erről a kutatócsoport beszámolója fog mesélni. Megy.
Kutatási alap
Ha túlzásba esünk, akkor gyakorlatilag minden körülöttünk lévő tárgy háromdimenziós. Néhányat azonban alaposabban átgondolva találhatunk kétdimenziósat is. A valaminek a felszínén kialakuló jégkéreg kiváló példa erre. Az ilyen struktúrák létezése nem titok a tudományos közösség előtt, mert sokszor elemezték őket. A probléma azonban az, hogy meglehetősen nehéz megjeleníteni a 2D jég kialakulásában részt vevő metastabil vagy köztes struktúrákat. Ennek oka a banális problémák - a vizsgált szerkezetek törékenysége és törékenysége.
Szerencsére a modern szkennelési módszerek lehetővé teszik a minták minimális hatású elemzését, ami a fenti okok miatt rövid időn belül maximális adatgyűjtést tesz lehetővé. Ebben a tanulmányban a tudósok érintés nélküli atomi erőmikroszkópiát alkalmaztak, a mikroszkóp tű hegyét szén-monoxiddal (CO) bevonva. Ezeknek a leolvasó eszközöknek a kombinációja lehetővé teszi valós idejű képek készítését az arany (Au) felületre növesztett, kétdimenziós kétrétegű hatszögletű jég élszerkezeteiről.
A mikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy a kétdimenziós jég kialakulása során kétféle él (egy sokszög két csúcsát összekötő szegmens) egyidejűleg létezik a szerkezetében: cikkcakk (cikcakk) és szék alakú (fotel).
Fotel (bal) és cikkcakk (jobb) élek grafén példájával.
Ebben a szakaszban a mintákat gyorsan lefagyasztották, lehetővé téve az atomszerkezet részletes vizsgálatát. Modellezésre is sor került, melynek eredményei nagyrészt egybeestek a megfigyelési eredményekkel.
Megállapítást nyert, hogy cikk-cakk bordák kialakulása esetén a meglévő élre egy további vízmolekula kerül, és az egész folyamatot az áthidaló mechanizmus szabályozza. A fotelbordák kialakulása esetén azonban nem észleltek további molekulákat, ami erősen ellentétben áll a hagyományos elképzelésekkel a kétrétegű hatszögletű jég és általában a kétdimenziós hatszögletű anyagok növekedéséről.
Miért választották a tudósok az érintésmentes atomerőmikroszkópot megfigyeléseikhez a pásztázó alagútmikroszkóp (STM) vagy transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) helyett? Mint már tudjuk, a választás a kétdimenziós jég rövid élettartamú és törékeny szerkezeteinek tanulmányozásának nehézségeihez kapcsolódik. Az STM-et korábban is használták a különböző felületeken termesztett 2D jégek vizsgálatára, de ez a fajta mikroszkóp nem érzékeny a magok helyzetére, hegye pedig képalkotási hibákat okozhat. A TEM éppen ellenkezőleg, tökéletesen mutatja a bordák atomi szerkezetét. A jó minőségű képek készítéséhez azonban nagy energiájú elektronokra van szükség, amelyek könnyen megváltoztathatják vagy akár tönkre is tehetik a kovalens kötésű XNUMXD anyagok élszerkezetét, nem beszélve a XNUMXD jég lazábban kötődő éleiről.
Az atomerő-mikroszkópnak nincsenek ilyen hátrányai, a CO-bevonatú hegy pedig lehetővé teszi a határfelületi víz vizsgálatát, minimális befolyással a vízmolekulákra.
Kutatási eredmények
1. kép
Kétdimenziós jeget növesztettek az Au(111) felületén körülbelül 120 K hőmérsékleten, vastagsága 2.5 Å (1a).
STM képek a jégről (1c) és a megfelelő gyors Fourier-transzformációs kép (beszúrt 1a) jól rendezett hatszögletű szerkezetet mutatnak Au(111)-√3 x √3-30° periodicitással. Bár a 2D jég sejtes H-kapcsolatú hálózata látható az STM-képen, a peremstruktúrák részletes topológiáját nehéz meghatározni. Ugyanakkor az AFM ugyanazon mintaterület frekvenciaeltolásával (Δf) jobb képeket adott (1d), amely lehetővé tette a szerkezet szék alakú és cikkcakk szakaszainak megjelenítését. Mindkét változat teljes hossza összehasonlítható, de az előd borda átlagos hossza valamivel hosszabb (1b). A cikk-cakk bordák akár 60 Å hosszúságúra is megnőhetnek, de a szék alakúakat a kialakulás során hibák borítják, ami 10-30 Å-re csökkenti maximális hosszukat.
Ezt követően szisztematikus AFM képalkotást végeztünk különböző tűmagasságokon (2a).
2. kép
A legmagasabb csúcsmagasságon, amikor az AFM jelet nagyobb rendű elektrosztatikus erő uralja, két √3 x √3 méretű részrácsot azonosítottunk a kétdimenziós kétrétegű jégben, amelyek közül az egyik a képen látható. 2a (bal).
Alacsonyabb tűmagasságnál ennek az alrendszernek a fényes elemei elkezdenek irányt mutatni, a másik részegység pedig V alakú elemmé alakul (2a, középen).
Minimális tűmagasságnál az AFM méhsejt szerkezetet tár fel világos vonalakkal, amelyek két részrácsot kötnek össze, és H-kötésekre emlékeztetnek (2a, jobb oldalon).
A sűrűségfüggvény elméleti számítások azt mutatják, hogy az Au(111) felszínén nőtt kétdimenziós jég egy egymásba kapcsolódó kétrétegű jégszerkezetnek felel meg (2s), amely két lapos, hatszögletű vízrétegből áll. A két lap hatszögei konjugáltak, és a vízmolekulák közötti szög a síkban 120°.
Mindegyik vízrétegben a vízmolekulák fele vízszintesen (a szubsztrátummal párhuzamosan), a másik fele pedig függőlegesen (a szubsztrátumra merőlegesen) fekszik, az egyik O-H felfelé vagy lefelé mutat. Az egyik rétegben függőlegesen fekvő víz H-kötést ad a másik réteg vízszintes vízéhez, ami egy teljesen telített H alakú szerkezetet eredményez.
AFM szimuláció kvadrupól (dz 2) csúcs segítségével (2b) a fenti modell alapján jól egyezik a kísérleti eredményekkel (2a). Sajnos a vízszintes és a függőleges víz hasonló magassága megnehezíti azonosításukat az STM képalkotás során. Az atomerőmikroszkópos vizsgálat során azonban mindkét víztípus molekulái jól megkülönböztethetők (2a и 2b jobbra), mert a magasabb rendű elektrosztatikus erő nagyon érzékeny a vízmolekulák orientációjára.
A magasabb rendű elektrosztatikus erők és a Pauli-féle taszító erők közötti kölcsönhatás révén a vízszintes és függőleges víz OH-irányosságának további meghatározása is lehetséges volt, amint azt a vörös vonalak mutatják 2a и 2b (központ).
3. kép
A képeken 3a и 3b (1. szakasz) nagyított AFM-képeket mutat be cikk-cakk- és fotel-uszonyokról. Megállapítást nyert, hogy a cikk-cakk él eredeti szerkezetének megtartása mellett nő, a szék alakú él növekedésével pedig az 5756 gyűrű periodikus szerkezetében áll helyre az él, i.e. amikor a bordák szerkezete periodikusan megismétli az ötszög - hétszög - ötszög - hatszög sorrendet.
A sűrűségfüggvény elméleti számítások azt mutatják, hogy a rekonstruálatlan cikk-cakk borda és az 5756-os székborda a legstabilabb. Az 5756 él olyan kombinált hatások eredményeként jön létre, amelyek minimalizálják a telítetlen hidrogénkötések számát és csökkentik az alakváltozási energiát.
A tudósok emlékeztetnek arra, hogy a hatszögletű jég alapsíkjai általában cikk-cakk bordákban végződnek, a szék alakú bordák pedig hiányoznak a telítetlen hidrogénkötések nagyobb sűrűsége miatt. Kis rendszerekben vagy korlátozott helyeken azonban a székbordák megfelelő újratervezéssel csökkenthetik az energiájukat.
Amint azt korábban említettük, amikor a jégnövekedést 120 K-on leállítottuk, a mintát azonnal 5 K-ra hűtöttük, hogy megpróbáljuk lefagyasztani a metastabil vagy átmeneti élszerkezeteket, és viszonylag hosszú mintaélettartamot biztosítsunk az STM és AFM használatával végzett részletes vizsgálatokhoz. A CO-funkcionalizált mikroszkóp hegyének köszönhetően a kétdimenziós jég növekedési folyamatát is rekonstruálni lehetett (3. sz. kép), amely lehetővé tette a metastabil és átmeneti struktúrák kimutatását.
A cikkcakkos bordák esetében esetenként az egyenes bordákhoz rögzített ötszögeket találtak. Sorba állhattak, 2-szeres periodicitású tömböt alkotva aice (aice a kétdimenziós jég rácsállandója). Ez a megfigyelés arra utalhat, hogy a cikk-cakk élek növekedését az ötszögek periodikus tömbjének kialakulása indítja el (3a, 1-3. lépés), amely magában foglalja két vízpár hozzáadását az ötszöghöz (piros nyilak).
Ezután az ötszögek tömbjét összekapcsoljuk, és egy olyan szerkezetet alkotunk, mint az 56665 (3a, 4. szakasz), majd több vízgőz hozzáadásával visszaállítja az eredeti cikkcakk megjelenést.
A szék alakú éleknél a helyzet fordított - nincsenek ötszögek, hanem gyakran megfigyelhetők rövid rések, mint például az 5656-os széleken. Az 5656-os borda hossza lényegesen rövidebb, mint az 5756-osé. Ennek valószínűleg az az oka, hogy az 5656-os borda erősen igénybe vett, és kevésbé stabil, mint az 5756-os. Az 5756-os székbordától kezdve 575 gyűrűt helyben 656 gyűrűvé alakítanak át kettő hozzáadásával. vízpára (3b, 2. szakasz). Ezután a 656-os gyűrűk keresztirányban nőnek, és az 5656-os típusú élt alkotják (3b, 3. fokozat), de a deformációs energia felhalmozódása miatt korlátozott hosszúsággal.
Ha egy 5656-os borda hatszögéhez hozzáadunk egy vízpárt, akkor az alakváltozás részben gyengülhet, és ez ismét egy 5756-os borda kialakulásához vezet (3b, 4. szakasz).
A fenti eredmények nagyon tájékoztató jellegűek, de úgy döntöttünk, hogy alátámasztjuk azokat további adatokkal, amelyeket az Au (111) felszínén lévő vízgőz molekuladinamikai számításaiból nyertünk.
Megállapítást nyert, hogy a felszínen sikeresen és akadálytalanul XNUMXD kétrétegű jégszigetek alakultak ki, ami összhangban van kísérleti megfigyeléseinkkel.
4. kép
A képen 4a Lépésről lépésre bemutatjuk a cikk-cakk bordákon a hidak együttes kialakításának mechanizmusát.
Az alábbiakban a tanulmányhoz kapcsolódó médiaanyagokat találjuk leírással.
1. számú médiaanyag
Érdemes megjegyezni, hogy egyetlen ötszög, amely egy cikkcakk élhez kapcsolódik, nem működhet helyi magképző központként a növekedés elősegítésére.
2. számú médiaanyag
Ehelyett kezdetben a cikk-cakk élen egy periodikus, de egymással nem összefüggő ötszöghálózat alakul ki, majd a beérkező vízmolekulák együttesen megpróbálják összekapcsolni ezeket az ötszögeket, ami egy 565-ös típusú láncszerkezet kialakulását eredményezi. Sajnos ilyen szerkezetet nem figyeltek meg gyakorlati megfigyelések, ami megmagyarázza rendkívül rövid élettartamát.
3. és 4. számú médiaanyag
Egy vízpár hozzáadása köti össze az 565-ös típusú építményt és a szomszédos ötszöget, így létrejön az 5666-os típusú szerkezet.
Az 5666 típusú szerkezet oldalirányban növekszik az 56665 típusú szerkezetté, és végül egy teljesen összefüggő hatszögletű rácstá fejlődik.
5. és 6. számú médiaanyag
A képen 4b növekedés látható a fotelborda esetében. Az 575-ös típusú gyűrűkből a 656-os típusú gyűrűkké való átalakulás az alsó rétegből indul ki, és egy összetett 575/656-os szerkezet alakul ki, amely a kísérletekben nem különböztethető meg az 5756-os típusú bordától, mivel a kétrétegű jégnek csak a felső rétege leképezhető. a kísérletek során.
7. számú médiaanyag
A kapott 656 híd az 5656 borda növekedésének magképző központja lesz.
8. számú médiaanyag
Egy vízmolekula hozzáadása az 5656-os élhez rendkívül mobil, párosítatlan molekulaszerkezetet eredményez.
9. számú médiaanyag
A párosítatlan vízmolekulák közül kettő a későbbiekben stabilabb hétszögletű szerkezetté egyesülhet, és az 5656-ról 5756-ra válik teljessé.
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg .
Epilógus
A tanulmány fő következtetése az, hogy a növekedés során megfigyelt szerkezetek viselkedése minden típusú kétdimenziós jégre jellemző lehet. A kétrétegű, hatszögletű jég különböző hidrofób felületeken és hidrofób zártsági körülmények között képződik, ezért külön 2D kristálynak tekinthető (2D jég I), amelynek kialakulása érzéketlen a szubsztrát mögöttes szerkezetére.
A tudósok őszintén állítják, hogy képalkotó technikájuk még nem alkalmas háromdimenziós jéggel való munkára, de a kétdimenziós jég tanulmányozásának eredményei alapul szolgálhatnak a térfogati rokona képződési folyamatának magyarázatához. Más szóval, a kétdimenziós struktúrák kialakulásának megértése fontos alapja a háromdimenziós struktúrák tanulmányozásának. Ebből a célból tervezik a kutatók módszertanuk fejlesztését a jövőben.
Köszönöm, hogy elolvastad, maradjatok kíváncsiak és további szép hetet srácok. 🙂
Néhány hirdetés 🙂
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, , a belépő szintű szerverek egyedülálló analógja, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
A Dell R730xd kétszer olcsóbb az amszterdami Equinix Tier IV adatközpontban? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com