Saben uwong ngerti yen banyu ana ing telung negara agregasi. Kita sijine ceret, lan banyu wiwit godhok lan nguap, ngowahi saka cair dadi gas. Kita sijine ing mesin pembeku, lan wiwit dadi es, banjur pindhah saka Cairan kanggo negara ngalangi. Nanging, ing kahanan tartamtu, uap banyu sing ana ing udara bisa langsung mlebu menyang fase padhet, ngliwati fase cair. Kita ngerti proses iki kanthi asil - pola sing apik ing jendhela ing dina mangsa frosty. Penggemar mobil, nalika ngeruk lapisan es saka kaca ngarep, asring ciri proses iki nggunakake ora banget ilmiah, nanging banget emosi lan urip epithets. Salah siji cara utawa liyane, rincian tatanan saka es loro-dimensi padha shrouded ing rahasia kanggo akèh taun. Lan bubar, kanggo pisanan, tim ilmuwan internasional bisa nggambarake struktur atom es rong dimensi sajrone pambentukan. Rahasia apa sing didhelikake ing proses fisik sing katon prasaja iki, kepiye para ilmuwan bisa nemokake, lan kepiye temuan kasebut migunani? Laporan klompok riset bakal ngandhani babagan iki. Tindak.
Basis riset
Yen kita exaggerate, banjur sakbenere kabeh obyek watara kita iku telung dimensi. Nanging, yen kita nimbang sawetara luwih tliti, kita uga bisa nemokake loro-dimensi. A kerak es sing kawangun ing lumahing soko minangka conto utama iki. Anane struktur kasebut ora dadi rahasia kanggo komunitas ilmiah, amarga wis dianalisis kaping pirang-pirang. Nanging masalahe iku cukup angel kanggo nggambarake struktur metastabil utawa penengah sing melu pembentukan es 2D. Iki amarga masalah banal - fragility lan fragility saka struktur sing diteliti.
Untunge, metode pemindaian modern ngidini conto dianalisis kanthi dampak minimal, sing ngidini data maksimal dipikolehi ing wektu sing cendhak, amarga alasan ing ndhuwur. Ing panliten iki, para ilmuwan nggunakake mikroskop gaya atom non-kontak, kanthi pucuk jarum mikroskop sing dilapisi karbon monoksida (CO). Kombinasi saka alat mindhai iki ndadekake iku bisa kanggo njupuk gambar nyata-wektu saka struktur pinggiran es heksagonal bilayer loro-dimensi thukul ing lumahing emas (Au).
Mikroskopi wis nuduhake yen sajrone pambentukan es rong dimensi, rong jinis pinggiran (segmen sing nyambungake rong simpul poligon) bebarengan karo strukture: zigzag (zigzag) lan wujude kursi (armchair).
Kursi (kiwa) lan zigzag (tengen) pinggiran nggunakake graphene minangka conto.
Ing tahap iki, conto cepet beku, saΓ©ngga struktur atom bisa ditliti kanthi rinci. Pemodelan uga ditindakake, asile akeh sing pas karo asil observasi.
Ditemokake yen ing kasus pembentukan iga zigzag, molekul banyu tambahan ditambahake ing pinggir sing ana, lan kabeh proses diatur dening mekanisme bridging. Nanging ing kasus pembentukan tulang rusuk kursi, ora ana molekul tambahan sing dideteksi, sing kontras banget karo gagasan tradisional babagan pertumbuhan es heksagonal rong lapisan lan zat heksagonal rong dimensi ing umum.
Napa para ilmuwan milih mikroskop gaya atom non-kontak kanggo pengamatan tinimbang mikroskop terowongan scanning (STM) utawa mikroskop elektron transmisi (TEM)? Kaya sing wis dingerteni, pilihan kasebut ana gandhengane karo angel sinau babagan struktur es rong dimensi sing cendhak lan rapuh. STM sadurunge wis digunakake kanggo sinau es 2D thukul ing macem-macem lumahing, nanging jinis mikroskop iki ora sensitif posisi inti, lan tip sawijining bisa nimbulakΓ© kasalahan imaging. TEM, ing nalisir, sampurna nuduhake struktur atom saka iga. Nanging, njupuk gambar kualitas dhuwur mbutuhake elektron energi dhuwur, kang bisa gampang ngganti utawa malah numpes struktur pinggiran bahan XNUMXD ikatan kovalen, ora kanggo sebutno pinggiran liyane longgar kaiket ing es XNUMXD.
Mikroskop gaya atom ora duwe kekurangan kaya ngono, lan tip sing dilapisi CO ngidini nyinaoni banyu antarmuka kanthi pengaruh minimal ing molekul banyu.
Asil riset
Gambar #1
Γs rong dimensi ditanam ing permukaan Au(111) kanthi suhu udakara 120 K, lan kekandelanΓ© 2.5 Γ (1a).
STM gambar es (1c) lan gambar transformasi Fourier cepet sing cocog (inset in 1a) nuduhake struktur heksagonal sing teratur kanthi periodisitas Au(111)-β3 x β3-30Β°. Sanajan jaringan es 2D sing disambungake H seluler katon ing gambar STM, topologi rinci babagan struktur pinggiran angel ditemtokake. Ing wektu sing padha, AFM kanthi owah-owahan frekuensi (Ξf) saka area sampel sing padha menehi gambar sing luwih apik (1d), sing ndadekake bisa nggambarake bagean-bagean sing bentuke kursi lan zigzag saka struktur kasebut. Dawane total loro varian bisa dibandhingake, nanging dawa rata-rata iga sing sadurunge rada suwe (1b). Iga zigzag bisa tuwuh nganti 60 Γ , nanging sing bentuke kursi ditutupi karo cacat sajrone pembentukan, sing nyuda dawa maksimal dadi 10-30 Γ .
Sabanjure, pencitraan AFM sistematis ditindakake ing dhuwur jarum sing beda-beda (2a).
Gambar #2
Ing dhuwur tip paling dhuwur, nalika sinyal AFM didominasi dening gaya elektrostatik urutan sing luwih dhuwur, rong set sublattices β3 x β3 ing es bilayer rong dimensi diidentifikasi, salah sijine ditampilake ing 2a (ngiwa).
Ing dhuwur jarum ngisor, unsur padhang saka subarray iki wiwit nuduhake directionality, lan subarray liyane dadi unsur V-shaped (2a, tengah).
Ing dhuwur jarum minimal, AFM mbukak struktur honeycomb kanthi garis bening sing nyambungake rong sublattices, kaya ikatan H (2a, tengen).
Petungan teori fungsional Kapadhetan nuduhake yen es rong dimensi sing tuwuh ing permukaan Au (111) cocog karo struktur es rong lapisan sing saling gegandhengan (2), dumadi saka rong lapisan heksagonal warata banyu. Hexagons saka rong lembaran kasebut dikonjugasi, lan sudut antarane molekul banyu ing bidang kasebut yaiku 120 Β°.
Ing saben lapisan banyu, setengah molekul banyu dumunung sacara horisontal (sejajar karo substrat) lan setengah liyane dumunung vertikal (jejeg substrat), kanthi siji O-H nuding munggah utawa mudhun. Banyu vertikal ing lapisan siji nyumbangake ikatan H menyang banyu horisontal ing lapisan liyane, nyebabake struktur berbentuk H sing kebak.
Simulasi AFM nggunakake tip quadrupole (dz 2) (2b) adhedhasar model ing ndhuwur cocog karo asil eksperimen (2a). Sayange, dhuwure banyu horisontal lan vertikal sing padha nggawe identifikasi angel sajrone pencitraan STM. Nanging, nalika nggunakake mikroskop gaya atom, molekul saka rong jinis banyu bisa dibedakake kanthi jelas (2a ΠΈ 2b tengen) amarga pasukan elektrostatik urutan sing luwih sensitif banget marang orientasi molekul banyu.
Sampeyan uga bisa nemtokake arah O-H banyu horisontal lan vertikal liwat interaksi antarane pasukan elektrostatik urutan sing luwih dhuwur lan gaya tolak Pauli, kaya sing dituduhake dening garis abang ing 2a ΠΈ 2b (tengah).
Gambar #3
Ing gambar 3a ΠΈ 3b (Tahap 1) nuduhake gambar AFM sing digedhekake saka sirip zigzag lan sirip kursi. Ditemokake manawa pinggiran zigzag tuwuh nalika njaga struktur asline, lan kanthi wutah pinggiran kursi, pinggiran dibalekake ing struktur periodik 5756 dering, yaiku. nalika struktur iga periodik mbaleni urutan pentagon - heptagon - pentagon - segi enam.
Petungan teori fungsional Kapadhetan nuduhake yen sirip zigzag sing durung direkonstruksi lan sirip kursi 5756 sing paling stabil. Pinggiran 5756 dibentuk minangka asil saka efek gabungan sing nyuda jumlah ikatan hidrogen sing ora jenuh lan nyuda energi regangan.
Para ilmuwan kelingan manawa bidang basal es heksagonal biasane ana ing iga zigzag, lan iga sing bentuke kursi ora ana amarga ikatan hidrogen tak jenuh sing luwih dhuwur. Nanging, ing sistem cilik utawa ing papan sing winates, sirip kursi bisa nyuda energi liwat desain ulang sing tepat.
Kaya kasebut sadurunge, nalika wutah es ing 120 K mandheg, sampel langsung digawe adhem nganti 5 K kanggo nyoba kanggo beku struktur pinggiran metastabil utawa transisi lan njamin urip sampel sing relatif dawa kanggo sinau rinci nggunakake STM lan AFM. Sampeyan uga bisa mbangun maneh proses pertumbuhan es rong dimensi (gambar No. 3) amarga tip mikroskop CO-functionalized, sing bisa ndeteksi struktur metastabil lan transisi.
Ing kasus iga zigzag, pentagon individu kadhangkala ditemokake ditempelake ing iga lurus. Padha bisa baris ing baris, mbentuk array karo periodicity saka 2 x asik (asik yaiku konstanta kisi saka es rong dimensi). Pengamatan iki bisa uga nuduhake yen wutah pinggiran zigzag diwiwiti kanthi pembentukan susunan pentagon periodik (3a, langkah 1-3), sing kalebu nambahake rong pasangan banyu kanggo pentagon (panah abang).
Sabanjure, susunan pentagon disambungake kanggo mbentuk struktur kaya 56665 (3a, tataran 4), banjur mulihake tampilan zigzag asli kanthi nambahake uap banyu.
Kanthi sudhut kursi-shaped kahanan ngelawan - ora ana susunan saka segi lima, nanging kesenjangan cendhak kaya 5656 ing pinggiran cukup asring diamati. Dawane sirip 5656 luwih cendhek tinimbang sirip 5756. Iki bisa uga amarga sirip 5656 ditekan banget lan kurang stabil tinimbang sirip 5756. Diwiwiti karo sirip kursi 5756, 575 dering diowahi sacara lokal dadi 656 dering kanthi nambahake loro. uap banyu (3b, fase 2). Sabanjure, dering 656 tuwuh ing arah transversal, mbentuk pinggiran jinis 5656 (3b, tataran 3), nanging kanthi dawa winates amarga akumulasi energi deformasi.
Yen siji pasangan banyu ditambahake menyang hexagon saka sirip 5656, deformasi kasebut bisa saya lemah, lan iki bakal nyebabake pembentukan sirip 5756 (3b, tataran 4).
Asil ing ndhuwur banget indikatif, nanging diputusake kanggo ndhukung data tambahan sing dipikolehi saka petungan dinamika molekul uap banyu ing permukaan Au (111).
Ditemokake manawa pulo es lapisan ganda XNUMXD dibentuk kanthi sukses lan ora ana alangan ing permukaan, sing konsisten karo pengamatan eksperimen kita.
Gambar #4
Ing gambar 4a Mekanisme pembentukan kolektif jembatan ing iga zigzag ditampilake langkah demi langkah.
Ing ngandhap menika dipunandharaken materi media pasinaon menika kanthi andharan.
Materi media No.1
Wigati dicathet yen pentagon siji sing dipasang ing pinggir zigzag ora bisa dadi pusat nukleasi lokal kanggo ningkatake pertumbuhan.
Materi media No.2
Nanging, jaringan pentagon periodik nanging ora nyambung wiwitane dibentuk ing pinggiran zigzag, lan molekul banyu sing mlebu sabanjure nyoba nyambungake pentagon kasebut, sing nyebabake pembentukan struktur rantai jinis 565. Sayange, struktur kasebut durung diamati sajrone pengamatan praktis, kang nerangake umur banget cendhak.
Materi media No.3 saha No.4
Penambahan siji pasangan banyu nyambungake struktur jinis 565 lan pentagon jejer, nyebabake pembentukan struktur tipe 5666.
Struktur jinis 5666 tuwuh ing sisih kanggo mbentuk struktur jinis 56665 lan pungkasane berkembang dadi kisi heksagonal sing disambungake kanthi lengkap.
Materi media No.5 saha No.6
Ing gambar 4b wutah ditampilake ing cilik saka rib kursi. Konversi saka jinis 575 dering menyang jinis 656 dering diwiwiti saka lapisan ngisor, mbentuk struktur komposit 575/656 sing ora bisa dibedakake saka sirip tipe 5756 ing eksperimen, amarga mung lapisan ndhuwur es rong lapisan sing bisa digambar. sajrone eksperimen.
Materi media No.7
Jembatan 656 sing diasilake dadi pusat nukleasi kanggo pertumbuhan tulang rusuk 5656.
Materi media No.8
Nambahake siji molekul banyu menyang pinggiran 5656 nyebabake struktur molekul sing ora bisa dipasangake kanthi seluler.
Materi media No.9
Loro molekul banyu sing ora dipasangake iki bisa gabung dadi struktur heptagonal sing luwih stabil, ngrampungake konversi saka 5656 dadi 5756.
Kanggo kenalan sing luwih rinci karo nuansa sinau, aku nyaranake ndeleng .
Epilogue
Kesimpulan utama panliten iki yaiku prilaku struktur sing diamati sajrone wutah bisa uga umum kanggo kabeh jinis es rong dimensi. Es heksagonal bilayer dumadi ing macem-macem permukaan hidrofobik lan ing kahanan kurungan hidrofobik, lan mulane bisa dianggep minangka kristal 2D sing kapisah (2D es I), tatanan sing ora sensitif marang struktur dhasar substrat.
Para ilmuwan kanthi jujur ββujar manawa teknik pencitraan kasebut durung cocog kanggo nggarap es telung dimensi, nanging asil sinau es rong dimensi bisa dadi dhasar kanggo nerangake proses pembentukan relatif volumetrik. Kanthi tembung liya, pangerten kepiye struktur rong dimensi minangka dhasar penting kanggo sinau babagan telung dimensi. Kanggo tujuan kasebut, peneliti ngrancang kanggo nambah metode kasebut ing mangsa ngarep.
Matur nuwun kanggo maca, tetep penasaran lan duwe minggu sing apik. π
Sawetara iklan π
Matur nuwun kanggo tetep karo kita. Apa sampeyan seneng karo artikel kita? Pengin ndeleng konten sing luwih menarik? Ndhukung kita kanthi nggawe pesenan utawa menehi rekomendasi menyang kanca, , analog unik saka server level entri, sing diciptakake kanggo sampeyan: (kasedhiya karo RAID1 lan RAID10, munggah 24 intine lan nganti 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kaping luwih murah ing pusat data Equinix Tier IV ing Amsterdam? Mung kene ing Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - saka $99! Maca babagan
Source: www.habr.com