Allir vita að vatn á sér stað í þremur samsöfnunarástandum. Við setjum ketilinn á og vatnið byrjar að sjóða og gufa upp og breytist úr fljótandi í loftkennt. Við setjum það í frysti og það byrjar að breytast í ís og færist þar með úr vökva í fast ástand. Hins vegar, undir vissum kringumstæðum, getur vatnsgufa sem er í loftinu strax farið í fasta fasann og framhjá fljótandi fasanum. Við þekkjum þetta ferli af útkomu sinni - falleg mynstur á gluggum á frostlegum vetrardegi. Bílaáhugamenn, þegar þeir skafa íslag af framrúðunni, einkenna þetta ferli oft með því að nota ekki mjög vísindaleg, en mjög tilfinningaþrungin og lifandi nafnorð. Með einum eða öðrum hætti voru smáatriðin um myndun tvívíddar ís hulin leynd í mörg ár. Og nýlega tókst alþjóðlegu teymi vísindamanna í fyrsta sinn að sjá fyrir sér frumeindabyggingu tvívídds íss við myndun hans. Hvaða leyndarmál eru falin í þessu að því er virðist einfalda eðlisfræðilega ferli, hvernig tókst vísindamönnum að afhjúpa þau og hvernig nýtast niðurstöður þeirra? Skýrsla rannsóknarhópsins mun segja okkur frá þessu. Farðu.
Rannsóknargrundvöllur
Ef við ýkum, þá eru nánast allir hlutir í kringum okkur þrívíðir. Hins vegar, ef við íhugum sum þeirra nákvæmari, getum við líka fundið tvívíddar. Ísskorpa sem myndast á yfirborði einhvers er gott dæmi um þetta. Tilvist slíkra mannvirkja er ekki leyndarmál fyrir vísindasamfélagið, því þau hafa verið greind margoft. En vandamálið er að það er frekar erfitt að sjá fyrir sér metstöðugleika eða millimannvirki sem taka þátt í myndun tvívíddar íss. Þetta er vegna banal vandamál - viðkvæmni og viðkvæmni mannvirkja sem verið er að rannsaka.
Sem betur fer gera nútímaskönnunaraðferðir kleift að greina sýni með lágmarksáhrifum, sem gerir kleift að fá hámarksgögn á stuttum tíma, af ofangreindum ástæðum. Í þessari rannsókn notuðu vísindamennirnir snertilausa atómaflsmásjá þar sem oddurinn á smásjánálinni var húðaður með kolmónoxíði (CO). Samsetning þessara skannaverkfæra gerir það mögulegt að fá rauntímamyndir af brúnbyggingum tvívídds sexhyrndra íss sem vaxið er á gylltu (Au) yfirborði.
Smásjárskoðun hefur sýnt að við myndun tvívídds íss eru tvær tegundir af brúnum (hlutar sem tengja saman tvo hornpunkta marghyrnings) samtímis í byggingu hans: sikksakk (sikksakki) og stóllaga (hægindastóll).
Hægindastóll (vinstri) og sikksakk (hægri) brúnir með grafeni sem dæmi.
Á þessu stigi voru sýnin fljótfryst, þannig að hægt var að skoða frumeindabygginguna í smáatriðum. Einnig var gerð líkangerð, en niðurstöður þeirra fóru að mestu leyti saman við athugunarniðurstöður.
Það kom í ljós að þegar um er að ræða myndun sikksakk rifbeina er viðbótar vatnssameind bætt við núverandi brún og öllu ferlinu er stjórnað af brúunarbúnaðinum. En þegar um var að ræða myndun hægindastólarifja greindust engar viðbótarsameindir, sem stangast mjög á við hefðbundnar hugmyndir um vöxt tveggja laga sexhyrndra íss og tvívíða sexhyrndra efna almennt.
Hvers vegna völdu vísindamenn snertilausa atómaflssmásjá fyrir athuganir sínar frekar en skönnunargöngsmásjá (STM) eða rafeindasmásjá (TEM)? Eins og við vitum nú þegar er valið tengt erfiðleikum við að rannsaka skammvinn og viðkvæm mannvirki tvívídds íss. STM hefur áður verið notað til að rannsaka tvívíddarís sem vaxið er á ýmsum yfirborðum, en þessi tegund af smásjá er ekki viðkvæm fyrir staðsetningu kjarna og getur oddurinn valdið myndskekkjum. TEM, þvert á móti, sýnir fullkomlega frumeindabyggingu rifbeinanna. Hins vegar, til að ná hágæða myndum, þarf háorku rafeindir, sem geta auðveldlega breytt eða jafnvel eyðilagt jaðarbyggingu samgilt tengdra tvívíddarefna, svo ekki sé minnst á lauslegri tengdar brúnir í tvívíddarís.
Atómkraftssmásjá hefur ekki slíka ókosti og CO-húðaður þjórfé gerir kleift að rannsaka yfirborðsvatn með lágmarks áhrifum á vatnssameindir.
Niðurstöður rannsókna
Mynd #1
Tvívíður ís var ræktaður á Au(111) yfirborði við um 120 K hitastig og þykkt hans var 2.5 Å (1).
STM myndir af ís (1c) og samsvarandi hröðum Fourier-umbreytingarmynd (sett inn í 1) sýna vel skipaða sexhyrnda byggingu með tíðni Au(111)-√3 x √3-30°. Þótt frumu-H-tengd net tvívíddaríss sé sýnilegt á STM myndinni, er erfitt að ákvarða nákvæma staðfræði jaðarmannvirkja. Á sama tíma gaf AFM með tíðnibreytingu (Δf) af sama sýnishorni betri myndir (1d), sem gerði það mögulegt að sjá stóllaga og sikksakk hluta mannvirkisins. Heildarlengd beggja afbrigða er sambærileg, en meðallengd forvera rifbeinsins er aðeins lengri (1b). Sikksakk rif geta orðið allt að 60 Å að lengd en stóllaga rifin verða þakin göllum við myndun sem minnkar hámarkslengd þeirra í 10-30 Å.
Næst var gerð kerfisbundin AFM myndgreining á mismunandi nálarhæðum (2).
Mynd #2
Í hæstu oddshæðinni, þegar AFM merkið er einkennist af rafstöðueiginleikakrafti af hærri röð, fundust tvö sett af √3 x √3 undirgrindum í tvívíðum tvílaga ís, þar af eitt sem er sýnt í 2 (vinstri).
Við lægri nálarhæð byrja björtu þættir þessarar undirfylkis að sýna stefnu og hin undirfylkin breytist í V-laga frumefni (2a, miðju).
Við lágmarks nálarhæð sýnir AFM honeycomb uppbyggingu með skýrum línum sem tengja tvær undirgrindur, sem minnir á H-tengi (2a, til hægri).
Útreikningar á eðlisþéttleikakenningum sýna að tvívíður ís sem vaxið er á Au(111) yfirborðinu samsvarar samtengdri tveggja laga ísbyggingu (2), sem samanstendur af tveimur flötum sexhyrndum lögum af vatni. Sexhyrningar beggja blaðanna eru samtengdir og hornið á milli vatnssameindanna í planinu er 120°.
Í hverju lagi af vatni liggja helmingur vatnssameindanna lárétt (samsíða undirlaginu) og hinn helmingurinn liggur lóðrétt (hornrétt á undirlagið), með eitt O–H sem vísar upp eða niður. Lóðrétt liggjandi vatn í einu lagi gefur H-tengi til lárétts vatns í öðru lagi, sem leiðir til fullmettaðrar H-laga byggingar.
AFM uppgerð með fjórpólu (dz 2) þjórfé (2b) byggt á ofangreindu líkani er í góðu samræmi við niðurstöður tilrauna (2a). Því miður, svipaðar hæðir lárétts og lóðrétts vatns gera auðkenningu þeirra erfitt við STM myndatöku. Hins vegar, þegar frumeindasmásjárfræði er notuð, eru sameindir beggja vatnstegunda greinilega aðgreindar (2a и 2b rétt) vegna þess að rafstöðueiginleikakrafturinn er mjög viðkvæmur fyrir stefnu vatnssameinda.
Einnig var hægt að ákvarða frekar OH stefnu lárétts og lóðrétts vatns með samspili milli rafstöðukrafta af hærri röð og Pauli fráhrindunarkrafta, eins og sést með rauðu línunum í 2 и 2b (miðja).
Mynd #3
Í myndunum 3 и 3b (1. stig) sýnir stækkaðar AFM myndir af sikksakk og hægindastólsuggum, í sömu röð. Í ljós kom að sikksakkbrúnin vex á meðan upprunalegri uppbyggingu sinni er viðhaldið og með vexti stóllaga brúnarinnar er brúnin endurheimt í reglubundinni uppbyggingu 5756 hringa, þ.e. þegar uppbygging rifbeina endurtekur með reglulegu millibili röðina fimmhyrningur - sexhyrningur - fimmhyrningur - sexhyrningur.
Útreikningar á virkni þéttleikans sýna að óendurgerður sikksakkuggi og 5756 stólugginn eru stöðugastur. 5756 brúnin myndast vegna samsettra áhrifa sem lágmarka fjölda ómettaðra vetnistengja og draga úr álagsorku.
Vísindamenn minnast þess að grunnplan sexhyrndra íss enda venjulega í sikksakk rifjum og stóllaga rif eru ekki til vegna meiri þéttleika ómettaðra vetnistengja. Hins vegar, í litlum kerfum eða þar sem pláss er takmarkað, geta stólauggar dregið úr orku þeirra með réttri endurhönnun.
Eins og fyrr segir, þegar ísvöxtur við 120 K var stöðvaður, var sýnið strax kælt niður í 5 K til að reyna að frysta metstable or transition edge mannvirki og tryggja tiltölulega langan líftíma sýna fyrir nákvæma rannsókn með STM og AFM. Einnig var hægt að endurgera vaxtarferli tvívídds íss (mynd nr. 3) þökk sé CO-virkjaðri smásjároddinum, sem gerði það mögulegt að greina metstöðugleika og umbreytingarmannvirki.
Þegar um sikksakk rif var að ræða fundust stundum einstakir fimmhyrningar festir við bein rif. Þeir gætu raðað sér í röð og myndað fylki með 2x tíðni aice (aice er grindarfasti tvívídds íss). Þessi athugun gæti bent til þess að vöxtur sikksakkbrúna hefjist við myndun reglubundinnar fylkingar fimmhyrninga (3, skref 1-3), sem felur í sér að bæta við tveimur vatnspörum fyrir fimmhyrninginn (rauðar örvar).
Næst er fylking fimmhyrninga tengd til að mynda uppbyggingu eins og 56665 (3, stig 4), og endurheimtir síðan upprunalega sikksakk útlitið með því að bæta við meiri vatnsgufu.
Með stóllaga brúnir er ástandið hið gagnstæða - það eru engar fylkingar af fimmhyrningum, en þess í stað sjást stutt bil eins og 5656 á brúninni nokkuð oft. Lengd 5656 uggans er umtalsvert styttri en 5756. Þetta er hugsanlega vegna þess að 5656 ugginn er mjög stressaður og minna stöðugur en 5756. Frá og með 5756 stólugganum er 575 hringum staðbundið breytt í 656 hringi með því að bæta við tveimur vatnsgufa (3b, stig 2). Næst vaxa 656 hringirnir í þverstefnu og mynda brún af gerðinni 5656 (3b, þrep 3), en með takmarkaðri lengd vegna uppsöfnunar aflögunarorku.
Ef einu vatnspari er bætt við sexhyrning 5656 ugga getur aflögunin veikst að hluta og það mun aftur leiða til myndunar 5756 ugga (3b, stig 4).
Ofangreindar niðurstöður eru mjög leiðbeinandi en ákveðið var að styðja þær með viðbótargögnum sem fengin eru úr útreikningum sameindavirkni á vatnsgufu á Au (111) yfirborði.
Í ljós kom að XNUMXD tvílaga íseyjar mynduðust með góðum árangri og óhindrað á yfirborðinu, sem er í samræmi við tilraunaathuganir okkar.
Mynd #4
Á myndinni 4 Verkunarháttur sameiginlegrar myndunar brúa á sikksakk rifjum er sýndur skref fyrir skref.
Hér að neðan eru fjölmiðlaefni um þessa rannsókn með lýsingu.
Fjölmiðlaefni nr 1
Það er athyglisvert að einn fimmhyrningur sem er festur við sikksakkbrún getur ekki virkað sem staðbundin kjarnakjarnastöð til að stuðla að vexti.
Fjölmiðlaefni nr 2
Þess í stað myndast reglubundið en ótengt net fimmhyrninga í upphafi á sikksakkbrúninni og síðari vatnssameindir reyna sameiginlega að tengja þessa fimmhyrninga, sem leiðir til myndunar 565 keðjubyggingar. Því miður hefur slík uppbygging ekki sést á meðan hagnýtar athuganir, sem skýrir afar stuttan líftíma þess.
Fjölmiðlaefni nr. 3 og nr. 4
Að bæta við einu vatnspari tengir 565 gerð uppbyggingarinnar og aðliggjandi fimmhyrning, sem leiðir til myndunar 5666 gerð uppbyggingarinnar.
5666 gerð uppbygging vex til hliðar til að mynda 56665 gerð uppbyggingu og þróast að lokum í fullkomlega sexhyrndar grindur.
Fjölmiðlaefni nr. 5 og nr. 6
Á myndinni 4b vöxtur er sýndur þegar um er að ræða hægindastólsrif. Umbreytingin úr hringjum af tegund 575 í hringi af gerð 656 hefst frá neðsta lagi og myndar samsetta 575/656 uppbyggingu sem ekki er hægt að greina frá ugga af gerð 5756 í tilraununum, þar sem aðeins er hægt að mynda efsta lag tveggja laga íssins. meðan á tilraununum stóð.
Fjölmiðlaefni nr 7
Brúin 656 sem myndast verður kjarnastöð fyrir vöxt 5656 rifsins.
Fjölmiðlaefni nr 8
Að bæta einni vatnssameind við 5656 brún leiðir til mjög hreyfanlegrar óparaðrar sameindabyggingar.
Fjölmiðlaefni nr 9
Tvær af þessum ópöruðu vatnssameindum geta síðan sameinast í stöðugri sjöhyrningsbyggingu og lokið umbreytingunni úr 5656 í 5756.
Fyrir ítarlegri kynningu á blæbrigðum rannsóknarinnar mæli ég með að skoða .
Eftirmáli
Meginniðurstaða þessarar rannsóknar er sú að hegðun mannvirkja sem sést við vöxt getur verið sameiginleg öllum gerðum tvívídds íss. Tvílaga sexhyrndur ís myndast á ýmsum vatnsfælnum yfirborðum og við vatnsfælnar innilokunaraðstæður og því má líta á hann sem sérstakan tvívíddar kristal (2D ís I), sem myndun hans er ónæmur fyrir undirliggjandi uppbyggingu undirlagsins.
Vísindamenn segja satt að segja að myndgreiningartækni þeirra henti ekki enn til að vinna með þrívíðan ís, en niðurstöður rannsókna á tvívíðum ís geta verið grunnur til að útskýra myndunarferli rúmmáls ættingja hans. Með öðrum orðum, skilningur á því hvernig tvívíð mannvirki myndast er mikilvægur grunnur til að rannsaka þrívíð. Það er í þessu skyni sem rannsakendur ætla að bæta aðferðafræði sína í framtíðinni.
Takk fyrir að lesa, vertu forvitin og eigið frábæra viku krakkar. 🙂
Nokkrar auglýsingar 🙂
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, , einstök hliðstæða upphafsþjóna, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x ódýrari í Equinix Tier IV gagnaveri í Amsterdam? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com