Բոլորը գիտեն, որ ջուրն առաջանում է ագրեգացման երեք վիճակում. Դնում ենք թեյնիկը, և ջուրը սկսում է եռալ և գոլորշիանալ՝ հեղուկից վերածվելով գազայինի։ Մենք այն դնում ենք սառցախցիկի մեջ, և այն սկսում է վերածվել սառույցի, դրանով իսկ հեղուկից անցնելով պինդ վիճակի։ Այնուամենայնիվ, որոշակի հանգամանքներում օդում առկա ջրային գոլորշին կարող է անմիջապես անցնել պինդ փուլ՝ շրջանցելով հեղուկ փուլը: Մենք այս գործընթացը գիտենք իր արդյունքով՝ գեղեցիկ նախշեր պատուհանների վրա ձմռան ցրտաշունչ օրը: Ավտոմեքենաների սիրահարները դիմապակուց սառույցի շերտը քերելիս հաճախ բնութագրում են այս գործընթացը՝ օգտագործելով ոչ այնքան գիտական, այլ շատ զգացմունքային ու վառ էպիտետներ։ Այսպես թե այնպես, երկչափ սառույցի առաջացման մանրամասները երկար տարիներ ծածկված էին գաղտնիությամբ։ Եվ վերջերս առաջին անգամ գիտնականների միջազգային թիմը կարողացավ պատկերացնել երկչափ սառույցի ատոմային կառուցվածքը դրա ձևավորման ժամանակ։ Ի՞նչ գաղտնիքներ են թաքնված այս պարզ թվացող ֆիզիկական գործընթացում, ինչպե՞ս են գիտնականներին հաջողվել բացահայտել դրանք, և ինչո՞վ են օգտակար նրանց բացահայտումները։ Այս մասին մեզ կպատմի հետազոտական խմբի զեկույցը։ Գնա։
Հետազոտության հիմքը
Եթե մենք չափազանցնում ենք, ապա մեզ շրջապատող գրեթե բոլոր առարկաները եռաչափ են: Այնուամենայնիվ, եթե դրանցից մի քանիսը ավելի մանրակրկիտ դիտարկենք, ապա կարող ենք գտնել նաև երկչափ: Սառույցի ընդերքը, որը ձևավորվում է ինչ-որ բանի մակերեսին, դրա վառ օրինակն է: Նման կառույցների առկայությունը գաղտնիք չէ գիտական հանրության համար, քանի որ դրանք բազմիցս վերլուծվել են։ Բայց խնդիրն այն է, որ բավականին դժվար է պատկերացնել 2D սառույցի ձևավորման մեջ ներգրավված մետակայուն կամ միջանկյալ կառուցվածքները: Դա պայմանավորված է սովորական խնդիրներով` ուսումնասիրվող կառույցների փխրունությամբ և փխրունությամբ:
Բարեբախտաբար, սկանավորման ժամանակակից մեթոդները թույլ են տալիս նմուշները վերլուծել նվազագույն ազդեցությամբ, ինչը թույլ է տալիս առավելագույն տվյալներ ստանալ կարճ ժամանակահատվածում՝ վերը նշված պատճառներով: Այս հետազոտության ընթացքում գիտնականներն օգտագործել են ոչ կոնտակտային ատոմային ուժային մանրադիտակ՝ մանրադիտակի ասեղի ծայրով պատված ածխածնի երկօքսիդով (CO): Այս սկանավորման գործիքների համադրությունը հնարավորություն է տալիս իրական ժամանակում ստանալ ոսկե (Au) մակերեսի վրա աճեցված երկչափ երկշերտ վեցանկյուն սառույցի եզրային կառուցվածքների պատկերներ:
Մանրադիտակը ցույց է տվել, որ երկչափ սառույցի ձևավորման ժամանակ նրա կառուցվածքում միաժամանակ գոյակցում են երկու տեսակի եզրեր (բազմանկյունի երկու գագաթները միացնող հատվածներ)՝ զիգզագ (zigzag) և աթոռաձև (բազկաթոռ).
Բազկաթոռ (ձախ) և զիգզագ (աջ) եզրեր՝ օգտագործելով գրաֆենը որպես օրինակ:
Այս փուլում նմուշներն արագ սառեցվեցին՝ թույլ տալով ատոմի կառուցվածքը մանրամասն ուսումնասիրել։ Կատարվել է նաև մոդելավորում, որի արդյունքները մեծապես համընկել են դիտորդական արդյունքների հետ։
Պարզվել է, որ զիգզագաձեւ կողերի առաջացման դեպքում առկա եզրին ավելացվում է ջրի լրացուցիչ մոլեկուլ, եւ ամբողջ գործընթացը կարգավորվում է կամրջող մեխանիզմով։ Բայց բազկաթոռի կողերի առաջացման դեպքում լրացուցիչ մոլեկուլներ չհայտնաբերվեցին, ինչը խիստ հակադրվում է երկշերտ վեցանկյուն սառույցի և ընդհանրապես երկչափ վեցանկյուն նյութերի աճի մասին ավանդական պատկերացումներին։
Ինչու՞ գիտնականներն իրենց դիտարկումների համար ընտրեցին ոչ կոնտակտային ատոմային ուժային մանրադիտակ, այլ ոչ թե սկանավորող թունելային մանրադիտակ (STM) կամ փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակ (TEM): Ինչպես արդեն գիտենք, ընտրությունը կապված է երկչափ սառույցի կարճատև և փխրուն կառուցվածքների ուսումնասիրման դժվարության հետ։ STM-ն նախկինում օգտագործվել է տարբեր մակերեսների վրա աճած 2D սառույցների ուսումնասիրության համար, սակայն այս տեսակի մանրադիտակը զգայուն չէ միջուկների դիրքի նկատմամբ, և դրա ծայրը կարող է առաջացնել պատկերային սխալներ: TEM-ը, ընդհակառակը, հիանալի ցույց է տալիս կողերի ատոմային կառուցվածքը։ Այնուամենայնիվ, բարձրորակ պատկերներ ստանալու համար պահանջվում են բարձր էներգիայի էլեկտրոններ, որոնք կարող են հեշտությամբ փոխել կամ նույնիսկ ոչնչացնել կովալենտային կապով XNUMXD նյութերի եզրային կառուցվածքը, էլ չենք խոսում XNUMXD սառույցի ավելի թույլ կապակցված եզրերի մասին:
Ատոմային ուժի մանրադիտակը նման թերություններ չունի, և CO- ծածկված ծայրը թույլ է տալիս ուսումնասիրել միջերեսային ջուրը ջրի մոլեկուլների վրա նվազագույն ազդեցությամբ:
Ուսումնասիրության արդյունքները
Պատկեր թիվ 1
Երկչափ սառույցը աճեցվել է Au(111) մակերեսի վրա մոտ 120 Կ ջերմաստիճանում, և դրա հաստությունը կազմել է 2.5 Å (1a).
Սառույցի STM պատկերներ (1c) և համապատասխան արագ Ֆուրիեի փոխակերպման պատկերը (ներդիր 1a) ցույց տալ լավ դասավորված վեցանկյուն կառուցվածք՝ Au(111)-√3 x √3-30° պարբերականությամբ: Թեև 2D սառույցի բջջային H-ով միացված ցանցը տեսանելի է STM պատկերում, եզրային կառուցվածքների մանրամասն տոպոլոգիան դժվար է որոշել: Միևնույն ժամանակ, նույն նմուշի տարածքի հաճախականության հերթափոխով (Δf) AFM-ն ավելի լավ պատկերներ տվեց (1d), ինչը հնարավորություն է տվել պատկերացնել կառույցի աթոռանման և զիգզագաձև հատվածները։ Երկու տարբերակների ընդհանուր երկարությունը համեմատելի է, բայց նախորդ կողոսկրի միջին երկարությունը մի փոքր ավելի երկար է (1b) Զիգզագաձև կողոսկրերը կարող են աճել մինչև 60 Ա երկարությամբ, բայց աթոռանմանները ձևավորման ընթացքում ծածկվում են թերություններով, ինչը նվազեցնում է դրանց առավելագույն երկարությունը մինչև 10-30 Ա։
Այնուհետև, համակարգված AFM պատկերացումն իրականացվել է ասեղների տարբեր բարձրությունների վրա (2a).
Պատկեր թիվ 2
Ամենաբարձր ծայրի բարձրության վրա, երբ AFM ազդանշանում գերակշռում է ավելի բարձր կարգի էլեկտրաստատիկ ուժը, հայտնաբերվել են երկչափ երկշերտ սառույցի √3 x √3 ենթավանդակների երկու խումբ, որոնցից մեկը ներկայացված է. 2a (ձախ).
Ասեղների ավելի ցածր բարձրություններում այս ենթաշարքի վառ տարրերը սկսում են ուղղորդվածություն ցույց տալ, իսկ մյուս ենթաշարքը վերածվում է V-աձև տարրի (2a, կենտրոնացված):
Նվազագույն ասեղի բարձրության վրա AFM-ը բացահայտում է բջիջների կառուցվածքը՝ երկու ենթաճյուղերը միացնող հստակ գծերով, որոնք հիշեցնում են H-կապերը (2a, աջ կողմում):
Խտության ֆունկցիոնալ տեսության հաշվարկները ցույց են տալիս, որ Au(111) մակերեսի վրա աճած երկչափ սառույցը համապատասխանում է միախառնվող երկշերտ սառցե կառուցվածքին (2-ական թթ), որը բաղկացած է ջրի երկու հարթ վեցանկյուն շերտերից։ Երկու թերթերի վեցանկյունները խոնարհված են, և հարթության մեջ ջրի մոլեկուլների միջև անկյունը 120° է։
Ջրի յուրաքանչյուր շերտում ջրի մոլեկուլների կեսը ընկած է հորիզոնական (ենթաշերտին զուգահեռ), իսկ մյուս կեսը ընկած է ուղղահայաց (ուղղահայաց հիմքին), մեկ O–H ուղղահայաց վեր կամ վար: Ուղղահայաց պառկած ջուրը մի շերտում H-կապ է տալիս մեկ այլ շերտի հորիզոնական ջրին, ինչի արդյունքում ստացվում է լիովին հագեցած H-աձև կառուցվածք:
AFM մոդելավորում՝ օգտագործելով քառաբևեռ (dz 2) հուշում (2b) վերը նշված մոդելի հիման վրա լավ համընկնում է փորձարարական արդյունքների հետ (2a) Ցավոք սրտի, հորիզոնական և ուղղահայաց ջրի նման բարձրությունները դժվարացնում են դրանց նույնականացումը STM պատկերների ժամանակ: Այնուամենայնիվ, երբ օգտագործվում է ատոմային ուժի մանրադիտակ, երկու տեսակի ջրի մոլեկուլները հստակորեն տարբերվում են (2a и 2b ճիշտ է), քանի որ բարձր կարգի էլեկտրաստատիկ ուժը շատ զգայուն է ջրի մոլեկուլների կողմնորոշման նկատմամբ:
Հնարավոր է նաև հետագայում որոշել հորիզոնական և ուղղահայաց ջրի OH ուղղությունը բարձր կարգի էլեկտրաստատիկ ուժերի և Պաուլիի վանող ուժերի միջև փոխազդեցության միջոցով, ինչպես ցույց է տրված կարմիր գծերով: 2a и 2b (կենտրոն):
Պատկեր թիվ 3
Պատկերներում 3a и 3b (Քայլ 1) ցույց է տալիս համապատասխանաբար զիգզագի և բազկաթոռի լողակների ընդլայնված AFM պատկերներ: Պարզվել է, որ զիգզագաձեւ եզրն աճում է՝ պահպանելով իր սկզբնական կառուցվածքը, իսկ աթոռանման եզրի աճով եզրը վերականգնվում է 5756 օղակների պարբերական կառուցվածքում, այսինքն. երբ կողերի կառուցվածքը պարբերաբար կրկնում է հնգանկյուն - յոթանկյուն - հնգանկյուն - վեցանկյուն հաջորդականությունը:
Խտության ֆունկցիոնալ տեսության հաշվարկները ցույց են տալիս, որ չվերակառուցված զիգզագաձև լողակը և 5756 աթոռի լողակը ամենակայունն են։ 5756 եզրը ձևավորվում է համակցված ազդեցությունների արդյունքում, որոնք նվազագույնի են հասցնում չհագեցած ջրածնային կապերի քանակը և նվազեցնում լարման էներգիան:
Գիտնականները հիշեցնում են, որ վեցանկյուն սառույցի բազալ հարթությունները սովորաբար ավարտվում են զիգզագաձեւ կողերով, իսկ աթոռանման կողիկները՝ չհագեցած ջրածնային կապերի ավելի մեծ խտության պատճառով։ Այնուամենայնիվ, փոքր համակարգերում կամ որտեղ տարածքը սահմանափակ է, աթոռի լողակները կարող են նվազեցնել իրենց էներգիան պատշաճ վերանախագծման միջոցով:
Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, երբ սառույցի աճը 120 Կ-ում դադարեցվեց, նմուշն անմիջապես սառեցվեց մինչև 5 Կ՝ փորձելով սառեցնել մետաստաբիլ կամ անցումային եզրային կառույցները և ապահովել համեմատաբար երկար նմուշի կյանք՝ մանրամասն ուսումնասիրության համար՝ օգտագործելով STM և AFM: Հնարավոր է նաև վերականգնել երկչափ սառույցի աճի պրոցեսը (պատկեր թիվ 3) շնորհիվ CO-ֆունկցիոնալացված մանրադիտակի ծայրի, որը հնարավորություն է տվել հայտնաբերել մետակայուն և անցումային կառուցվածքները։
Զիգզագաձեւ կողերի դեպքում երբեմն հայտնաբերվում էին առանձին հնգանկյուններ՝ կցված ուղիղ կողերին։ Նրանք կարող էին շարվել անընդմեջ՝ կազմելով 2 x պարբերականությամբ զանգված էս (էս երկչափ սառույցի վանդակավոր հաստատունն է): Այս դիտարկումը կարող է ցույց տալ, որ զիգզագ եզրերի աճը սկսվում է հնգանկյունների պարբերական զանգվածի ձևավորմամբ (3a, քայլ 1-3), որը ներառում է հնգանկյունի համար երկու զույգ ջրի ավելացում (կարմիր սլաքներ):
Այնուհետև, հնգանկյունների զանգվածը միացված է 56665-ի նման կառուցվածք ձևավորելու համար (3a, փուլ 4), այնուհետև վերականգնում է սկզբնական զիգզագաձև տեսքը՝ ավելացնելով ավելի շատ ջրային գոլորշի:
Աթոռաձև եզրերի դեպքում իրավիճակը հակառակն է՝ հնգանկյունների զանգվածներ չկան, բայց փոխարենը ծայրամասում 5656-ի նման կարճ բացեր են նկատվում: 5656 լողակի երկարությունը զգալիորեն ավելի կարճ է, քան 5756-ը: Դա հնարավոր է այն պատճառով, որ 5656 լողակը շատ լարված է և ավելի քիչ կայուն, քան 5756-ը: Սկսած 5756 աթոռի լողակներից, 575 օղակները տեղային կերպով վերածվում են 656 օղակի՝ ավելացնելով երկու օղակ: ջրի գոլորշի (3b, փուլ 2): Այնուհետև 656 օղակները աճում են լայնակի ուղղությամբ՝ կազմելով 5656 տիպի եզր (3b, փուլ 3), բայց սահմանափակ երկարությամբ՝ դեֆորմացիայի էներգիայի կուտակման պատճառով։
Եթե մեկ զույգ ջուր ավելացվի 5656 լողակի վեցանկյունին, ապա դեֆորմացիան կարող է մասամբ թուլանալ, և դա կրկին կհանգեցնի 5756 լողակի ձևավորմանը (3b, փուլ 4):
Վերոնշյալ արդյունքները շատ ցուցիչ են, սակայն որոշվել է դրանք օժանդակել Au (111) մակերեսի վրա ջրի գոլորշիների մոլեկուլային դինամիկայի հաշվարկներից ստացված լրացուցիչ տվյալներով:
Պարզվել է, որ XNUMXD երկշերտ սառցե կղզիները հաջողությամբ և անարգել ձևավորվել են մակերեսի վրա, ինչը համահունչ է մեր փորձարարական դիտարկումներին:
Պատկեր թիվ 4
Պատկերի վրա 4a Զիգզագաձեւ կողերի վրա կամուրջների կոլեկտիվ ձեւավորման մեխանիզմը ցուցադրվում է քայլ առ քայլ։
Ստորև ներկայացված են այս ուսումնասիրության վերաբերյալ մեդիա նյութերը՝ նկարագրությամբ:
Լրատվամիջոցների նյութ թիվ 1
Հարկ է նշել, որ զիգզագի եզրին կցված մեկ հնգանկյուն չի կարող հանդես գալ որպես տեղական միջուկային կենտրոն՝ աճը խթանելու համար:
Լրատվամիջոցների նյութ թիվ 2
Փոխարենը, զիգզագ եզրին սկզբում ձևավորվում է հնգանկյունների պարբերական, բայց չկապված ցանց, և հաջորդող ջրի մոլեկուլները միասին փորձում են միացնել այս հնգանկյունները, ինչի արդյունքում ձևավորվում է 565 տիպի շղթայական կառուցվածք: Ցավոք, նման կառուցվածք չի նկատվել ընթացքում: գործնական դիտարկումներ, ինչը բացատրում է նրա չափազանց կարճ կյանքի տեւողությունը։
Թիվ 3 եւ թիվ 4 մեդիա նյութ
Մեկ ջրային զույգի ավելացումը միացնում է 565 տիպի կառուցվածքը և հարակից հնգանկյունը, որի արդյունքում ձևավորվում է 5666 տիպի կառուցվածքը։
5666 տիպի կառուցվածքը աճում է կողային՝ ձևավորելով 56665 տիպի կառուցվածքը և ի վերջո վերածվում է ամբողջությամբ միացված վեցանկյուն վանդակի։
Թիվ 5 եւ թիվ 6 մեդիա նյութ
Պատկերի վրա 4b աճը ցուցադրվում է բազկաթոռի կողոսկրի դեպքում։ 575 տիպի օղակներից 656 տիպի օղակների փոխակերպումը սկսվում է ստորին շերտից՝ ձևավորելով 575/656 կոմպոզիտային կառուցվածք, որը չի կարող տարբերվել 5756 տիպի լողակից փորձարկումներում, քանի որ հնարավոր է պատկերել երկշերտ սառույցի միայն վերին շերտը։ փորձերի ժամանակ։
Լրատվամիջոցների նյութ թիվ 7
Ստացված 656 կամուրջը դառնում է 5656 կողոսկրի աճի միջուկային կենտրոն:
Լրատվամիջոցների նյութ թիվ 8
Մեկ ջրի մոլեկուլ ավելացնելով 5656 եզրին, ստացվում է շատ շարժունակ չզույգված մոլեկուլի կառուցվածք:
Լրատվամիջոցների նյութ թիվ 9
Այս չզույգված ջրի մոլեկուլներից երկուսը կարող են հետագայում միավորվել ավելի կայուն յոթանկյուն կառուցվածքի մեջ՝ ավարտելով փոխակերպումը 5656-ից 5756-ի:
Ուսումնասիրության նրբություններին ավելի մանրամասն ծանոթանալու համար խորհուրդ եմ տալիս նայել .
Վերջաբան
Այս ուսումնասիրության հիմնական եզրակացությունն այն է, որ աճի ընթացքում կառուցվածքների դիտարկվող վարքը կարող է ընդհանուր լինել երկչափ սառույցի բոլոր տեսակների համար: Երկշերտ վեցանկյուն սառույցը ձևավորվում է տարբեր հիդրոֆոբ մակերեսների վրա և հիդրոֆոբ սահմանափակման պայմաններում և, հետևաբար, կարելի է համարել որպես առանձին 2D բյուրեղ (2D ice I), որի ձևավորումը անզգայուն է ենթաշերտի հիմքում ընկած կառուցվածքի նկատմամբ:
Գիտնականներն անկեղծորեն ասում են, որ իրենց պատկերման տեխնիկան դեռ հարմար չէ եռաչափ սառույցի հետ աշխատելու համար, սակայն երկչափ սառույցի ուսումնասիրության արդյունքները կարող են հիմք ծառայել դրա ծավալային հարաբերականի ձևավորման գործընթացը բացատրելու համար: Այլ կերպ ասած, հասկանալը, թե ինչպես են ձևավորվում երկչափ կառույցները, կարևոր հիմք է եռաչափ կառուցվածքների ուսումնասիրության համար: Հենց այդ նպատակով էլ հետազոտողները նախատեսում են ապագայում կատարելագործել իրենց մեթոդաբանությունը։
Շնորհակալություն կարդալու համար, եղեք հետաքրքրասեր և լավ շաբաթ ունեցեք տղաներ: 🙂
Մի քանի գովազդ 🙂
Շնորհակալություն մեզ հետ մնալու համար: Ձեզ դուր են գալիս մեր հոդվածները: Ցանկանու՞մ եք տեսնել ավելի հետաքրքիր բովանդակություն: Աջակցեք մեզ՝ պատվիրելով կամ խորհուրդ տալով ընկերներին, , մուտքի մակարդակի սերվերների եզակի անալոգ, որը հորինվել է մեր կողմից ձեզ համար. (հասանելի է RAID1 և RAID10-ով, մինչև 24 միջուկով և մինչև 40 ԳԲ DDR4):
Dell R730xd 2 անգամ ավելի էժան Ամստերդամի Equinix Tier IV տվյալների կենտրոնում: Միայն այստեղ Նիդեռլանդներում! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-ից: Կարդացեք մասին
Source: www.habr.com