Semua orang tahu bahwa air terjadi dalam tiga keadaan agregasi. Kami menyalakan ketel, dan air mulai mendidih dan menguap, berubah dari cair menjadi gas. Kami memasukkannya ke dalam freezer, dan itu mulai berubah menjadi es, sehingga berpindah dari cair ke padat. Namun, dalam keadaan tertentu, uap air yang ada di udara dapat langsung berpindah ke fase padat, melewati fase cair. Kita mengetahui proses ini dari hasilnya - pola-pola indah di jendela pada hari musim dingin yang membekukan. Penggemar mobil, ketika mengikis lapisan es dari kaca depan, sering kali mencirikan proses ini dengan menggunakan julukan yang tidak terlalu ilmiah, tetapi sangat emosional dan jelas. Dengan satu atau lain cara, detail pembentukan es dua dimensi dirahasiakan selama bertahun-tahun. Dan baru-baru ini, untuk pertama kalinya, tim ilmuwan internasional mampu memvisualisasikan struktur atom es dua dimensi selama pembentukannya. Rahasia apa yang tersembunyi dalam proses fisik yang tampaknya sederhana ini, bagaimana para ilmuwan berhasil mengungkapnya, dan apa manfaat temuan mereka? Laporan kelompok penelitian akan memberi tahu kita tentang hal ini. Pergi.
Dasar penelitian
Jika kita melebih-lebihkan, maka sebenarnya semua benda di sekitar kita adalah tiga dimensi. Namun, jika kita memperhatikan beberapa di antaranya dengan lebih cermat, kita juga dapat menemukan yang dua dimensi. Kerak es yang terbentuk di permukaan sesuatu adalah contoh utama dari hal ini. Keberadaan struktur seperti itu bukanlah rahasia bagi komunitas ilmiah, karena telah dianalisis berkali-kali. Namun masalahnya adalah cukup sulit untuk memvisualisasikan struktur metastabil atau perantara yang terlibat dalam pembentukan es 2D. Hal ini disebabkan oleh masalah-masalah dangkal - kerapuhan dan kerapuhan struktur yang diteliti.
Untungnya, metode pemindaian modern memungkinkan sampel dianalisis dengan dampak minimal, sehingga data maksimal dapat diperoleh dalam waktu singkat, karena alasan di atas. Dalam penelitian ini, para ilmuwan menggunakan mikroskop gaya atom non-kontak, dengan ujung jarum mikroskop dilapisi dengan karbon monoksida (CO). Kombinasi alat pemindaian ini memungkinkan untuk memperoleh gambar real-time dari struktur tepi es heksagonal bilayer dua dimensi yang tumbuh di permukaan emas (Au).
Mikroskop telah menunjukkan bahwa selama pembentukan es dua dimensi, dua jenis tepi (segmen yang menghubungkan dua simpul poligon) hidup berdampingan secara bersamaan dalam strukturnya: zigzag (berliku-liku) dan berbentuk kursi (kursi tangan).
Tepi kursi berlengan (kiri) dan zigzag (kanan) menggunakan graphene sebagai contoh.
Pada tahap ini, sampel dibekukan dengan cepat sehingga struktur atomnya dapat diperiksa secara detail. Pemodelan juga dilakukan, yang hasilnya sebagian besar bertepatan dengan hasil observasi.
Ditemukan bahwa dalam kasus pembentukan tulang rusuk zigzag, molekul air tambahan ditambahkan ke tepi yang ada, dan seluruh proses diatur oleh mekanisme penghubung. Namun dalam kasus pembentukan tulang rusuk kursi, tidak ada molekul tambahan yang terdeteksi, yang sangat kontras dengan gagasan tradisional tentang pertumbuhan es heksagonal dua lapis dan zat heksagonal dua dimensi secara umum.
Mengapa para ilmuwan memilih mikroskop gaya atom non-kontak untuk pengamatan mereka daripada mikroskop terowongan pemindaian (STM) atau mikroskop elektron transmisi (TEM)? Seperti yang telah kita ketahui, pilihan tersebut terkait dengan sulitnya mempelajari struktur es dua dimensi yang berumur pendek dan rapuh. STM sebelumnya telah digunakan untuk mempelajari es 2D yang tumbuh di berbagai permukaan, namun mikroskop jenis ini tidak sensitif terhadap posisi inti, dan ujungnya dapat menyebabkan kesalahan pencitraan. Sebaliknya, TEM dengan sempurna menunjukkan struktur atom tulang rusuk. Namun, untuk mendapatkan gambar berkualitas tinggi memerlukan elektron berenergi tinggi, yang dapat dengan mudah mengubah atau bahkan menghancurkan struktur tepi material XNUMXD yang terikat secara kovalen, belum lagi tepi yang terikat lebih longgar pada es XNUMXD.
Mikroskop gaya atom tidak memiliki kelemahan seperti itu, dan ujung yang dilapisi CO memungkinkan studi tentang air antarmuka dengan pengaruh minimal pada molekul air.
Hasil penelitian
Gambar #1
Es dua dimensi tumbuh di permukaan Au(111) pada suhu sekitar 120 K, dan ketebalannya 2.5 Γ (1a).
Gambar STM es (1c) dan gambar transformasi Fourier cepat yang sesuai (inset in 1a) menunjukkan struktur heksagonal yang tertata rapi dengan periodisitas Au(111)-β3 x β3-30Β°. Meskipun jaringan seluler es 2D yang terhubung dengan H terlihat pada gambar STM, topologi rinci dari struktur tepi sulit untuk ditentukan. Pada saat yang sama, AFM dengan pergeseran frekuensi (Ξf) pada area sampel yang sama memberikan gambar yang lebih baik (1d), yang memungkinkan untuk memvisualisasikan bagian struktur yang berbentuk kursi dan zigzag. Panjang total kedua varian sebanding, namun rata-rata panjang rusuk pendahulunya sedikit lebih panjang (1b). Tulang rusuk zigzag dapat tumbuh hingga panjang 60 Γ , tetapi tulang rusuk yang berbentuk kursi menjadi tertutup cacat selama pembentukan, sehingga mengurangi panjang maksimumnya menjadi 10-30 Γ .
Selanjutnya, pencitraan AFM sistematis dilakukan pada ketinggian jarum yang berbeda (2a).
Gambar #2
Pada ketinggian ujung tertinggi, ketika sinyal AFM didominasi oleh gaya elektrostatik tingkat tinggi, dua set subkisi β3 x β3 dalam es bilayer dua dimensi diidentifikasi, salah satunya ditunjukkan pada 2a (kiri).
Pada ketinggian jarum yang lebih rendah, elemen terang dari subarray ini mulai menunjukkan arah, dan subarray lainnya berubah menjadi elemen berbentuk V (2a, terpusat).
Pada ketinggian jarum minimum, AFM memperlihatkan struktur sarang lebah dengan garis jelas yang menghubungkan dua subkisi, mengingatkan pada ikatan-H (2a, di sebelah kanan).
Perhitungan teori fungsional kepadatan menunjukkan bahwa es dua dimensi yang tumbuh di permukaan Au(111) berhubungan dengan struktur es dua lapisan yang saling terkait (2s), terdiri dari dua lapisan air berbentuk heksagonal datar. Segi enam dari kedua lembaran tersebut terkonjugasi, dan sudut antara molekul air pada bidang tersebut adalah 120Β°.
Di setiap lapisan air, separuh molekul air terletak secara horizontal (sejajar dengan substrat) dan separuh lainnya terletak secara vertikal (tegak lurus dengan substrat), dengan satu OβH mengarah ke atas atau ke bawah. Air yang terletak secara vertikal di satu lapisan menyumbangkan ikatan H ke air horizontal di lapisan lain, menghasilkan struktur berbentuk H yang jenuh penuh.
Simulasi AFM menggunakan ujung quadrupole (dz 2) (2b) berdasarkan model di atas sesuai dengan hasil eksperimen (2a). Sayangnya, ketinggian air horizontal dan vertikal yang serupa membuat identifikasi mereka sulit dilakukan selama pencitraan STM. Namun, ketika menggunakan mikroskop gaya atom, molekul kedua jenis air dapat dibedakan dengan jelas (2a ΠΈ 2b kanan) karena gaya elektrostatis orde tinggi sangat sensitif terhadap orientasi molekul air.
Dimungkinkan juga untuk menentukan lebih lanjut arah OH air horizontal dan vertikal melalui interaksi antara gaya elektrostatik tingkat tinggi dan gaya tolak Pauli, seperti yang ditunjukkan oleh garis merah di 2a ΠΈ 2b (tengah).
Gambar #3
Dalam gambar 3a ΠΈ 3b (Tahap 1) menunjukkan masing-masing gambar AFM yang diperbesar dari sirip zigzag dan sirip kursi. Ditemukan bahwa tepi zigzag tumbuh dengan tetap mempertahankan struktur aslinya, dan dengan tumbuhnya tepi berbentuk kursi, tepi tersebut dikembalikan ke struktur periodik 5756 cincin, yaitu. ketika struktur tulang rusuk secara berkala mengulangi urutan segi lima - segi tujuh - segi lima - segi enam.
Perhitungan teori fungsional kepadatan menunjukkan bahwa sirip zigzag yang tidak direkonstruksi dan sirip kursi 5756 adalah yang paling stabil. Tepi 5756 terbentuk sebagai hasil dari efek gabungan yang meminimalkan jumlah ikatan hidrogen tak jenuh dan mengurangi energi regangan.
Para ilmuwan ingat bahwa bidang dasar es heksagonal biasanya berakhir dengan rusuk zigzag, dan tidak ada rusuk berbentuk kursi karena kepadatan ikatan hidrogen tak jenuh yang lebih tinggi. Namun, dalam sistem kecil atau ruang terbatas, sirip kursi dapat mengurangi energinya melalui desain ulang yang tepat.
Seperti disebutkan sebelumnya, ketika pertumbuhan es pada 120 K dihentikan, sampel segera didinginkan hingga 5 K untuk mencoba membekukan struktur tepi metastabil atau transisi dan memastikan umur sampel yang relatif lama untuk studi mendetail menggunakan STM dan AFM. Proses pertumbuhan es dua dimensi (gambar No. 3) juga dapat direkonstruksi berkat ujung mikroskop yang difungsikan CO, yang memungkinkan untuk mendeteksi struktur metastabil dan transisi.
Dalam kasus rusuk zigzag, kadang-kadang ditemukan segi lima yang menempel pada rusuk lurus. Mereka dapat berbaris dalam satu baris, membentuk larik dengan periodisitas 2 x aice (aice adalah konstanta kisi es dua dimensi). Pengamatan ini mungkin menunjukkan bahwa pertumbuhan tepi zigzag diawali oleh pembentukan susunan pentagon periodik (3a, langkah 1-3), yang melibatkan penambahan dua pasangan air untuk segi lima (panah merah).
Selanjutnya susunan segi lima dihubungkan membentuk struktur seperti 56665 (3a, tahap 4), lalu kembalikan tampilan zigzag aslinya dengan menambahkan lebih banyak uap air.
Dengan tepi berbentuk kursi, situasinya sebaliknya - tidak ada susunan segi lima, melainkan celah pendek seperti 5656 di tepinya cukup sering terlihat. Panjang sirip 5656 secara signifikan lebih pendek dibandingkan sirip 5756. Hal ini mungkin karena sirip 5656 mengalami tegangan tinggi dan kurang stabil dibandingkan sirip 5756. Dimulai dengan sirip kursi 5756, 575 cincin diubah secara lokal menjadi 656 cincin dengan menambahkan dua uap air (3b, tahap 2). Selanjutnya, cincin 656 tumbuh dalam arah melintang, membentuk tepi tipe 5656 (3b, tahap 3), tetapi dengan panjang terbatas akibat akumulasi energi deformasi.
Jika satu pasang air ditambahkan ke segi enam sirip 5656, maka deformasi sebagian dapat melemah, dan ini sekali lagi akan mengarah pada pembentukan sirip 5756 (3b, tahap 4).
Hasil di atas sangat indikatif, namun diputuskan untuk mendukungnya dengan data tambahan yang diperoleh dari perhitungan dinamika molekuler uap air di permukaan Au (111).
Ditemukan bahwa pulau es dua lapis XNUMXD terbentuk dengan sukses dan tanpa hambatan di permukaan, yang konsisten dengan pengamatan eksperimental kami.
Gambar #4
Pada gambar 4a Mekanisme pembentukan kolektif jembatan pada rusuk zigzag ditunjukkan langkah demi langkah.
Di bawah ini adalah bahan media penelitian ini beserta uraiannya.
Materi media No.1
Perlu dicatat bahwa satu segi lima yang menempel pada tepi zigzag tidak dapat bertindak sebagai pusat nukleasi lokal untuk mendorong pertumbuhan.
Materi media No.2
Sebaliknya, jaringan pentagon yang periodik namun tidak terhubung pada awalnya terbentuk di tepi zigzag, dan molekul air yang masuk berikutnya secara kolektif berupaya menghubungkan pentagon ini, sehingga menghasilkan pembentukan struktur rantai tipe 565. Sayangnya, struktur seperti itu belum pernah diamati selama ini. pengamatan praktis, yang menjelaskan umurnya yang sangat pendek.
Materi media No.3 dan No.4
Penambahan satu pasang air menghubungkan struktur tipe 565 dengan segi lima yang berdekatan sehingga menghasilkan terbentuknya struktur tipe 5666.
Struktur tipe 5666 tumbuh secara lateral membentuk struktur tipe 56665 dan akhirnya berkembang menjadi kisi heksagonal yang terhubung penuh.
Materi media No.5 dan No.6
Pada gambar 4b pertumbuhan ditunjukkan dalam kasus tulang rusuk kursi. Konversi dari cincin tipe 575 ke cincin tipe 656 dimulai dari lapisan bawah, membentuk struktur komposit 575/656 yang tidak dapat dibedakan dari sirip tipe 5756 dalam percobaan, karena hanya lapisan atas dari dua lapisan es yang dapat dicitrakan. selama percobaan.
Materi media No.7
Jembatan 656 yang dihasilkan menjadi pusat nukleasi pertumbuhan tulang rusuk 5656.
Materi media No.8
Menambahkan satu molekul air ke tepi 5656 menghasilkan struktur molekul tidak berpasangan yang sangat mobile.
Materi media No.9
Dua dari molekul air yang tidak berpasangan ini selanjutnya dapat bergabung menjadi struktur heptagonal yang lebih stabil, menyelesaikan konversi dari 5656 menjadi 5756.
Untuk kenalan yang lebih detail dengan nuansa penelitian, saya sarankan untuk melihatnya .
Bagian terakhir dr suatu karya sastra
Kesimpulan utama dari penelitian ini adalah bahwa perilaku struktur yang diamati selama pertumbuhan mungkin umum terjadi pada semua jenis es dua dimensi. Es heksagonal bilayer terbentuk pada berbagai permukaan hidrofobik dan dalam kondisi pengurungan hidrofobik, dan oleh karena itu dapat dianggap sebagai kristal 2D terpisah (es 2D I), yang pembentukannya tidak sensitif terhadap struktur dasar substrat.
Para ilmuwan sejujurnya mengatakan bahwa teknik pencitraan mereka belum cocok untuk bekerja dengan es tiga dimensi, namun hasil mempelajari es dua dimensi dapat menjadi dasar untuk menjelaskan proses pembentukan relatif volumetriknya. Dengan kata lain, memahami bagaimana struktur dua dimensi terbentuk merupakan landasan penting untuk mempelajari struktur tiga dimensi. Untuk tujuan inilah para peneliti berencana untuk memperbaiki metode mereka di masa depan.
Terima kasih telah membaca, tetap penasaran dan semoga minggumu menyenangkan kawan. π
Beberapa iklan π
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, , analog unik dari server level awal, yang kami temukan untuk Anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai $99! Membaca tentang
Sumber: www.habr.com