דפוסים על החלון או מכת נהגים: איך קרח דו מימדי גדל

כולם יודעים שהמים מתרחשים בשלושה מצבי צבירה. שמנו את הקומקום, והמים מתחילים לרתוח ולהתאדות, הופכים מנוזל לגזים. שמנו אותו במקפיא, והוא מתחיל להפוך לקרח, ובכך עובר מנוזלי למצב מוצק. עם זאת, בנסיבות מסוימות, אדי מים הנמצאים באוויר יכולים לעבור מיד לשלב המוצק, ולעקוף את השלב הנוזלי. אנו מכירים את התהליך הזה לפי התוצאה שלו - דפוסים יפים על החלונות ביום חורף קפוא. חובבי מכוניות, כאשר מגרדים שכבת קרח מהשמשה הקדמית, מאפיינים לעתים קרובות את התהליך הזה באמצעות כינויי לא מאוד מדעיים, אבל מאוד רגשיים וחיים. כך או אחרת, פרטי היווצרותו של קרח דו מימדי היו אפופים בסודיות במשך שנים רבות. ולאחרונה, לראשונה, צוות בינלאומי של מדענים הצליח לדמיין את המבנה האטומי של קרח דו-ממדי במהלך היווצרותו. אילו סודות מסתתרים בתהליך הפיזי הפשוט לכאורה הזה, כיצד הצליחו מדענים לחשוף אותם, וכיצד ממצאיהם מועילים? הדוח של קבוצת המחקר יספר לנו על כך. ללכת.

בסיס מחקר

אם נגזים, אז למעשה כל העצמים סביבנו הם תלת מימדיים. עם זאת, אם ניקח בחשבון כמה מהם בצורה מדוקדקת יותר, נוכל למצוא גם דו מימדיים. קרום קרח שנוצר על פני השטח של משהו הוא דוגמה מצוינת לכך. קיומם של מבנים כאלה אינו סוד לקהילה המדעית, כי הם נותחו פעמים רבות. אבל הבעיה היא שדי קשה לדמיין מבנים יציבים או ביניים המעורבים ביצירת קרח דו-ממדי. זה נובע מבעיות בנאליות - השבריריות והשבירות של המבנים הנלמדים.

למרבה המזל, שיטות סריקה מודרניות מאפשרות לנתח דגימות במינימום השפעה, מה שמאפשר קבלת נתונים מקסימליים בפרק זמן קצר, בשל הסיבות לעיל. במחקר זה, המדענים השתמשו במיקרוסקופ כוח אטומי ללא מגע, כאשר קצה מחט המיקרוסקופ מצופה בפחמן חד חמצני (CO). השילוב של כלי הסריקה הללו מאפשר להשיג תמונות בזמן אמת של מבני הקצה של קרח משושה דו-ממדי דו-ממדי הגדל על משטח זהב (Au).

מיקרוסקופיה הראתה שבמהלך היווצרות קרח דו מימדי, שני סוגי קצוות (קטעים המחברים בין שני קודקודים של מצולע) מתקיימים במקביל במבנה שלו: זיגזג (זִגזַג) ובצורת כיסא (כּוּרסָה).

כורסה (משמאל) וקצוות זיגזג (ימין) באמצעות גרפן כדוגמה.

בשלב זה, הדגימות הוקפאו במהירות, מה שאפשר לבחון את המבנה האטומי לפרטיו. כמו כן בוצע מודלים, שתוצאותיו תאמו במידה רבה את תוצאות התצפית.

נמצא שבמקרה של היווצרות צלעות זיגזג מתווספת מולקולת מים נוספת לקצה הקיים, וכל התהליך מווסת על ידי מנגנון הגישור. אבל במקרה של היווצרות צלעות כורסה, לא זוהו מולקולות נוספות, מה שמנוגד מאוד לרעיונות המסורתיים לגבי גידול של קרח משושה דו-שכבתי וחומרים משושה דו-ממדיים בכלל.

מדוע בחרו מדענים במיקרוסקופ כוח אטומי ללא מגע לתצפיותיהם במקום במיקרוסקופ מנהור סורק (STM) או מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM)? כפי שאנו כבר יודעים, הבחירה קשורה לקושי לחקור את המבנים קצרי המועד והשבריריים של קרח דו-ממדי. STM שימש בעבר לחקר קרח דו-ממדי שגדל על משטחים שונים, אך סוג זה של מיקרוסקופ אינו רגיש למיקום הגרעינים, וקצהו עלול לגרום לשגיאות הדמיה. להיפך, TEM מראה בצורה מושלמת את המבנה האטומי של הצלעות. עם זאת, השגת תמונות באיכות גבוהה מצריכה אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה, שיכולים לשנות בקלות או אפילו להרוס את מבנה הקצה של חומרים דו-ממדיים הקשורים קוולנטית, שלא לדבר על הקצוות המחוברים בצורה רופפת יותר בקרח דו-ממדי.

למיקרוסקופ כוח אטומי אין חסרונות כאלה, וקצה מצופה CO מאפשר חקר מי משטחי עם השפעה מינימלית על מולקולות מים.

תוצאות המחקר

תמונה מס' 1

קרח דו-ממדי גדל על פני Au(111) בטמפרטורה של כ-120 K, ועוביו היה 2.5 Å (1а).

תמונות STM של קרח (1c) ותמונת הטרנספורמציה המהירה של פורייה המתאימה (מוכנסת ב 1а) מציגים מבנה משושה מסודר היטב עם מחזוריות של Au(111)-√3 x √3-30°. למרות שהרשת המחוברת ל-H הסלולרית של קרח דו-ממדית נראית בתמונת STM, קשה לקבוע את הטופולוגיה המפורטת של מבני הקצה. במקביל, AFM עם שינוי תדר (Δf) של אותו אזור מדגם נתן תמונות טובות יותר (1d), מה שאיפשר לדמיין חלקים בצורת כיסא ומזגזג של המבנה. האורך הכולל של שתי הגרסאות דומה, אך האורך הממוצע של הצלע הקודמת מעט ארוך יותר (1b). צלעות זיגזג יכולות להגיע באורך של עד 60 Å, אך אלו בצורת כיסא מתכסות בפגמים במהלך היווצרותן, מה שמקטין את אורכן המרבי ל-10-30 Å.

לאחר מכן, הדמיית AFM שיטתית בוצעה בגבהים שונים של מחט (2а).

תמונה מס' 2

בגובה הקצה הגבוה ביותר, כאשר אות AFM נשלט על ידי כוח אלקטרוסטטי מסדר גבוה יותר, זוהו שתי קבוצות של √3 x √3 תת-סריגים בקרח דו-שכבתי דו-ממדי, שאחד מהם מוצג ב 2а (שמאלה).

בגבהים נמוכים יותר של מחט, האלמנטים הבהירים של תת-מערך זה מתחילים להראות כיווניות, ותת-המערך השני הופך לאלמנט בצורת V (2a, במרכז).

בגובה מחט מינימלי, AFM חושף מבנה חלת דבש עם קווים ברורים המחברים בין שני סריגים, המזכירים קשרי H (2a, מימין).

חישובי התיאוריה הפונקציונלית של צפיפות מראים כי קרח דו-ממדי הגדל על פני השטח Au(111) מתאים למבנה קרח דו-שכבתי משתלב (2c), המורכבת משתי שכבות משושה שטוחות של מים. המשושים של שני היריעות מצומדים, והזווית בין מולקולות המים במישור היא 120°.

בכל שכבת מים, מחצית ממולקולות המים שוכבות אופקית (מקביל למצע) והחצי השני שוכבות אנכית (מאונך למצע), כאשר O–H אחד מצביע למעלה או למטה. מים מונחים אנכית בשכבה אחת תורמים קשר H למים אופקיים בשכבה אחרת, וכתוצאה מכך נוצר מבנה רווי מלא בצורת H.

סימולציית AFM באמצעות קצה קוואדרופול (dz 2) (2b) המבוסס על המודל שלעיל עולה בקנה אחד עם תוצאות הניסוי (2a). לרוע המזל, הגבהים הדומים של מים אופקיים ואנכיים מקשים על זיהוים במהלך הדמיית STM. עם זאת, בעת שימוש במיקרוסקופיה של כוח אטומי, ניתן להבחין בבירור בין המולקולות של שני סוגי המים (2a и 2b נכון) מכיוון שהכוח האלקטרוסטטי מסדר גבוה רגיש מאוד לכיוון של מולקולות מים.

ניתן היה גם לקבוע עוד יותר את כיווניות ה-OH של מים אופקיים ואנכיים באמצעות האינטראקציה בין כוחות אלקטרוסטטיים מסדר גבוה וכוחות הדחייה של פאולי, כפי שמוצג על ידי הקווים האדומים ב 2а и 2b (מֶרְכָּז).

תמונה מס' 3

בתמונות 3а и 3b (שלב 1) מציג תמונות AFM מוגדלות של סנפירי זיגזג וכורסא, בהתאמה. נמצא שקצה הזיגזג גדל תוך שמירה על המבנה המקורי שלו, ועם צמיחת הקצה דמוי הכיסא, שוחזר הקצה במבנה התקופתי של טבעות תשנ"ו, דהיינו. כאשר מבנה הצלעות חוזר מעת לעת על הרצף מחומש - מחומש - מחומש - משושה.

חישובי התיאוריה הפונקציונלית של הצפיפות מראים שסנפיר הזיגזג הלא משוחזר וסנפיר הכיסא 5756 הם היציבים ביותר. קצה 5756 נוצר כתוצאה מהשפעות משולבות הממזערות את מספר קשרי המימן הבלתי רוויים ומפחיתות את אנרגיית המתח.

מדענים זוכרים שהמישורים הבסיסיים של קרח משושה מסתיימים בדרך כלל בצלעות זיגזג, וצלעות בצורת כיסא נעדרות בגלל הצפיפות הגבוהה יותר של קשרי מימן בלתי רוויים. עם זאת, במערכות קטנות או היכן שהמקום מוגבל, סנפירי כיסא יכולים להפחית את האנרגיה שלהם באמצעות עיצוב מחדש נכון.

כפי שהוזכר קודם לכן, כאשר הופסקה צמיחת קרח ב-120 K, המדגם צונן מיד ל-5 K כדי לנסות להקפיא מבנים יציבים של קצה או מעבר ולהבטיח חיי מדגם ארוכים יחסית למחקר מפורט באמצעות STM ו-AFM. כמו כן, ניתן היה לשחזר את תהליך הצמיחה של קרח דו-ממדי (תמונה מס' 3) הודות לקצה המיקרוסקופ המתופקד ב-CO, שאיפשר לזהות מבנים מט-יציבים ומבנים מעבר.

במקרה של צלעות זיגזג, לעיתים נמצאו מחומשים בודדים מחוברים לצלעות הישרות. הם יכולים להסתדר בשורה, ליצור מערך עם מחזוריות של 2 x aice (aice הוא קבוע הסריג של קרח דו-ממדי). תצפית זו עשויה להצביע על כך שצמיחה של קצוות זיגזג מתחילה על ידי היווצרות של מערך תקופתי של מחומשים (3а, שלב 1-3), הכולל הוספת שני זוגות מים עבור המחומש (חצים אדומים).

לאחר מכן, מערך המחומשים מחובר ליצירת מבנה כמו 56665 (3а, שלב 4), ולאחר מכן משחזר את מראה הזיגזג המקורי על ידי הוספת אדי מים נוספים.

עם קצוות בצורת כיסא המצב הפוך - אין מערכים של מחומשים, אך במקום זאת נצפים פערים קצרים כמו 5656 בקצה לעתים קרובות למדי. אורכו של סנפיר 5656 קצר משמעותית מזה של 5756. ייתכן שהסנפיר 5656 הוא לחוץ מאוד ופחות יציב מהסנפיר 5756. החל מסנפיר הכיסא 5756, 575 טבעות מומרות מקומית ל-656 טבעות על ידי הוספת שתיים. אדי מים (3b, שלב 2). לאחר מכן, טבעות 656 צומחות בכיוון הרוחבי, ויוצרות קצה מסוג 5656 (3b, שלב 3), אך באורך מוגבל עקב הצטברות אנרגיית דפורמציה.

אם מוסיפים זוג מים אחד למשושה של סנפיר 5656, העיוות יכול להיחלש חלקית, וזה יוביל שוב להיווצרות סנפיר 5756 (3b, שלב 4).

התוצאות שלעיל מעידות מאוד, אך הוחלט לתמוך בהן בנתונים נוספים המתקבלים מחישובי דינמיקה מולקולרית של אדי מים על פני השטח Au (111).

נמצא שאיי קרח דו-שכבתיים נוצרו בהצלחה ובאין מפריע על פני השטח, מה שעולה בקנה אחד עם תצפיות הניסוי שלנו.

תמונה מס' 4

על התמונה 4а מנגנון היווצרות קולקטיבית של גשרים על צלעות זיגזג מוצג צעד אחר צעד.

להלן חומרי מדיה על מחקר זה עם תיאור.

חומר מדיה מס' 1

ראוי לציין כי מחומש בודד המחובר לקצה זיגזג אינו יכול לפעול כמרכז גרעין מקומי לקידום צמיחה.

חומר מדיה מס' 2

במקום זאת, נוצרת תחילה רשת מחזורית אך לא מחוברת של מחומשים על קצה הזיגזג, ולאחר מכן מולקולות מים נכנסות מנסות ביחד לחבר מחומשים אלה, וכתוצאה מכך להיווצרות מבנה שרשרת מסוג 565. למרבה הצער, מבנה כזה לא נצפה במהלך תצפיות מעשיות, מה שמסביר את אורך החיים הקצר ביותר שלו.

חומר מדיה מס' 3 ומס' 4



תוספת של זוג מים אחד מחברת בין המבנה מסוג 565 לבין המחומש הסמוך, וכתוצאה מכך נוצר מבנה מסוג 5666.

המבנה מסוג 5666 גדל לרוחב ויוצר את המבנה מסוג 56665 ובסופו של דבר מתפתח לסריג משושה מחובר במלואו.

חומר מדיה מס' 5 ומס' 6



על התמונה 4b הצמיחה מוצגת במקרה של צלע כורסה. ההמרה מטבעות מסוג 575 לטבעות מסוג 656 מתחילה מהשכבה התחתונה, ויוצרות מבנה מרוכב 575/656 שלא ניתן להבדיל מסנפיר מסוג 5756 בניסויים, שכן ניתן לצלם רק את השכבה העליונה של הקרח הדו-שכבתי. במהלך הניסויים.

חומר מדיה מס' 7

הגשר 656 שנוצר הופך למרכז הגרעין לצמיחת הצלע 5656.

חומר מדיה מס' 8

הוספת מולקולת מים אחת לקצה 5656 מביאה למבנה מולקולה בלתי מזווג נייד מאוד.

חומר מדיה מס' 9

שתיים ממולקולות המים הבלתי מזווגות הללו יכולות לשלב לאחר מכן למבנה מחומש יציב יותר, ולהשלים את ההמרה מ-5656 ל-5756.

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים.

אפילוג

המסקנה העיקרית של מחקר זה היא שההתנהגות הנצפית של מבנים במהלך הצמיחה עשויה להיות משותפת לכל סוגי הקרח הדו-ממדי. קרח משושה דו-שכבתי נוצר על משטחים הידרופוביים שונים ובתנאי כליאה הידרופוביים, ולכן יכול להיחשב כגביש דו-ממדי נפרד (קרח 2D I), אשר היווצרותו אינה רגישה למבנה הבסיסי של המצע.

מדענים אומרים בכנות שטכניקת ההדמיה שלהם עדיין אינה מתאימה לעבודה עם קרח תלת-ממדי, אך תוצאות חקר הקרח הדו-ממדי יכולות לשמש בסיס להסבר תהליך היווצרותו של קרובו הנפחי. במילים אחרות, ההבנה כיצד נוצרים מבנים דו-ממדיים היא בסיס חשוב ללימוד תלת-ממדיים. לשם כך מתכננים החוקרים לשפר את השיטה שלהם בעתיד.

תודה שקראתם, תהיו סקרנים ושבוע טוב חברים. 🙂

כמה מודעות 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, Cloud VPS למפתחים החל מ-$4.99, אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 ליבות) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps החל מ-$19 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2 במרכז הנתונים Equinix Tier IV באמסטרדם? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com