შაბლონები ფანჯარაზე ან მძღოლების უბედურება: როგორ იზრდება ორგანზომილებიანი ყინული

ყველამ იცის, რომ წყალი აგრეგაციის სამ მდგომარეობაშია. ქვაბს ვდებთ და წყალი იწყებს ადუღებას და აორთქლებას, თხევადიდან აირისებურად გადადის. ჩვენ მას საყინულეში ვდებთ და ის იწყებს ყინულში გადაქცევას, რითაც თხევადიდან მყარ მდგომარეობაში გადადის. თუმცა, გარკვეულ პირობებში, ჰაერში არსებული წყლის ორთქლი დაუყოვნებლივ გადადის მყარ ფაზაში, თხევადი ფაზის გვერდის ავლით. ჩვენ ვიცით ეს პროცესი მისი შედეგით - ლამაზი ნიმუშები ფანჯრებზე ზამთრის ცივ დღეს. მანქანის მოყვარულები საქარე მინიდან ყინულის ფენის გახეხვისას ხშირად ახასიათებენ ამ პროცესს არა ძალიან მეცნიერული, არამედ ძალიან ემოციური და ნათელი ეპითეტების გამოყენებით. ასეა თუ ისე, ორგანზომილებიანი ყინულის წარმოქმნის დეტალები მრავალი წლის განმავლობაში საიდუმლოებით იყო მოცული. ახლახან კი, პირველად, მეცნიერთა საერთაშორისო ჯგუფმა შეძლო მისი ფორმირებისას ორგანზომილებიანი ყინულის ატომური სტრუქტურის ვიზუალიზაცია. რა საიდუმლოებები იმალება ამ ერთი შეხედვით მარტივ ფიზიკურ პროცესში, როგორ შეძლეს მეცნიერებმა მათი აღმოჩენა და რამდენად სასარგებლოა მათი აღმოჩენები? ამის შესახებ კვლევითი ჯგუფის ანგარიში მოგვითხრობს. წადი.

კვლევის საფუძველი

თუ ვაზვიადებთ, მაშინ ჩვენს ირგვლივ პრაქტიკულად ყველა ობიექტი სამგანზომილებიანია. თუმცა, თუ ზოგიერთ მათგანს უფრო ზედმიწევნით განვიხილავთ, შეგვიძლია ორგანზომილებიანიც ვიპოვოთ. ყინულის ქერქი, რომელიც წარმოიქმნება რაღაცის ზედაპირზე, ამის ნათელი მაგალითია. ასეთი სტრუქტურების არსებობა არ არის საიდუმლო სამეცნიერო საზოგადოებისთვის, რადგან ისინი არაერთხელ იქნა გაანალიზებული. მაგრამ პრობლემა ის არის, რომ საკმაოდ რთულია მეტასტაბილური ან შუალედური სტრუქტურების ვიზუალიზაცია, რომლებიც მონაწილეობენ 2D ყინულის ფორმირებაში. ეს გამოწვეულია ბანალური პრობლემებით - შესწავლილი სტრუქტურების სისუსტე და სისუსტე.

საბედნიეროდ, სკანირების თანამედროვე მეთოდები იძლევა ნიმუშების ანალიზს მინიმალური ზემოქმედებით, რაც საშუალებას იძლევა მაქსიმალური მონაცემების მიღება მოკლე დროში, ზემოაღნიშნული მიზეზების გამო. ამ კვლევაში მეცნიერებმა გამოიყენეს ატომური ძალის უკონტაქტო მიკროსკოპია, მიკროსკოპის ნემსის წვერით დაფარული ნახშირბადის მონოქსიდით (CO). ამ სკანირების ხელსაწყოების კომბინაცია შესაძლებელს ხდის ოქროს (Au) ზედაპირზე გაზრდილი ორგანზომილებიანი ორფენიანი ექვსკუთხა ყინულის კიდეების სტრუქტურების რეალურ დროში გამოსახულების მიღებას.

მიკროსკოპია აჩვენა, რომ ორგანზომილებიანი ყინულის ფორმირებისას მის სტრუქტურაში ერთდროულად თანაარსებობს ორი ტიპის კიდეები (მრავალკუთხედის ორი წვეროს დამაკავშირებელი სეგმენტი): ზიგზაგი (ზიგზაგი) და სკამის ფორმის (სავარძელში).

სავარძელი (მარცხნივ) და ზიგზაგის (მარჯვნივ) კიდეები გრაფენის გამოყენებით.

ამ ეტაპზე ნიმუშები სწრაფად გაიყინა, რაც ატომის სტრუქტურის დეტალურად შესწავლის საშუალებას იძლეოდა. განხორციელდა მოდელირებაც, რომლის შედეგებიც დიდწილად დაემთხვა დაკვირვების შედეგებს.

დადგინდა, რომ ზიგზაგისებური ნეკნების წარმოქმნის შემთხვევაში არსებულ კიდეს ემატება წყლის დამატებითი მოლეკულა და მთელი პროცესი რეგულირდება ხიდის მექანიზმით. მაგრამ სავარძლის ნეკნების ფორმირების შემთხვევაში, დამატებითი მოლეკულები არ გამოვლენილა, რაც ძლიერ ეწინააღმდეგება ტრადიციულ იდეებს ორფენიანი ექვსკუთხა ყინულის და ზოგადად ორგანზომილებიანი ექვსკუთხა ნივთიერებების ზრდის შესახებ.

რატომ აირჩიეს მეცნიერებმა დაკვირვებისთვის უკონტაქტო ატომური ძალის მიკროსკოპი, ვიდრე სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი (STM) ან გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპი (TEM)? როგორც უკვე ვიცით, არჩევანი დაკავშირებულია ორგანზომილებიანი ყინულის ხანმოკლე და მყიფე სტრუქტურების შესწავლის სირთულესთან. STM ადრე გამოიყენებოდა სხვადასხვა ზედაპირზე გაზრდილი 2D ყინულის შესასწავლად, მაგრამ ამ ტიპის მიკროსკოპი არ არის მგრძნობიარე ბირთვების პოზიციის მიმართ და მისმა წვერმა შეიძლება გამოიწვიოს გამოსახულების შეცდომები. TEM, პირიქით, შესანიშნავად აჩვენებს ნეკნების ატომურ სტრუქტურას. თუმცა, მაღალი ხარისხის გამოსახულების მისაღებად საჭიროა მაღალი ენერგიის ელექტრონები, რომლებსაც შეუძლიათ ადვილად შეცვალონ ან თუნდაც გაანადგურონ კოვალენტურად შეკრული XNUMXD მასალების კიდეების სტრუქტურა, რომ აღარაფერი ვთქვათ XNUMXD ყინულში უფრო თავისუფლად შეკრულ კიდეებზე.

ატომური ძალის მიკროსკოპს არ აქვს ასეთი უარყოფითი მხარეები და CO-დაფარული წვერი საშუალებას იძლევა შეისწავლოს ზედაპირული წყალი წყლის მოლეკულებზე მინიმალური გავლენით.

კვლევის შედეგები

სურათი #1

ორგანზომილებიანი ყინული გაიზარდა Au(111) ზედაპირზე დაახლოებით 120 K ტემპერატურაზე და მისი სისქე იყო 2.5 Å (1а).

ყინულის STM სურათები (1c) და შესაბამისი სწრაფი ფურიეს გარდაქმნის სურათი (ჩასმული 1а) აჩვენეთ კარგად მოწესრიგებული ექვსკუთხა სტრუქტურა Au(111)-√3 x √3-30° პერიოდულობით. მიუხედავად იმისა, რომ 2D ყინულის ფიჭური H- დაკავშირებული ქსელი ჩანს STM გამოსახულებაში, კიდეების სტრუქტურების დეტალური ტოპოლოგიის დადგენა რთულია. ამავდროულად, AFM სიხშირის ცვლაზე (Δf) იმავე ნიმუშის არეალის აძლევდა უკეთეს სურათებს (1d), რამაც შესაძლებელი გახადა სტრუქტურის სკამის ფორმის და ზიგზაგის მონაკვეთების ვიზუალიზაცია. ორივე ვარიანტის საერთო სიგრძე შესადარებელია, მაგრამ წინამორბედის ნეკნის საშუალო სიგრძე ოდნავ გრძელია (1b). ზიგზაგის ნეკნები შეიძლება გაიზარდოს 60 Å-მდე, მაგრამ სკამის ფორმის ნეკნები ფორმირებისას დაფარულია დეფექტებით, რაც ამცირებს მათ მაქსიმალურ სიგრძეს 10-30 Å-მდე.

შემდეგ, სისტემატური AFM ​​გამოსახულება ჩატარდა ნემსის სხვადასხვა სიმაღლეზე (2а).

სურათი #2

ყველაზე მაღალი წვერის სიმაღლეზე, როდესაც AFM სიგნალზე დომინირებს უფრო მაღალი დონის ელექტროსტატიკური ძალა, გამოვლინდა √3 x √3 ქველატის ორი კომპლექტი ორგანზომილებიანი ორშრიანი ყინულით, რომელთაგან ერთი ნაჩვენებია 2а (მარცხნივ).

ნემსის დაბალ სიმაღლეებზე, ამ ქვემასის კაშკაშა ელემენტები იწყებენ მიმართულების ჩვენებას, ხოლო მეორე ქვეჯგუფი იქცევა V- ფორმის ელემენტად (2a, ორიენტირებული).

ნემსის მინიმალურ სიმაღლეზე, AFM ავლენს თაფლისებრ სტრუქტურას მკაფიო ხაზებით, რომლებიც აკავშირებს ორ ქველატს, რომელიც მოგვაგონებს H-ბმას (2a, მარჯვნივ).

სიმკვრივის ფუნქციონალური თეორიის გამოთვლები აჩვენებს, რომ Au(111) ზედაპირზე გაზრდილი ორგანზომილებიანი ყინული შეესაბამება ორშრიანი ყინულის სტრუქტურას.2 ს), რომელიც შედგება წყლის ორი ბრტყელი ექვსკუთხა ფენისგან. ორი ფურცლის ექვსკუთხედები კონიუგირებულია და სიბრტყეში წყლის მოლეკულებს შორის კუთხე არის 120°.

წყლის თითოეულ ფენაში წყლის მოლეკულების ნახევარი დევს ჰორიზონტალურად (სუბსტრატის პარალელურად) და მეორე ნახევარი ვერტიკალურად (სუბსტრატის პერპენდიკულარულად), ერთი O–H ზევით ან ქვევით. ვერტიკალურად მოთავსებული წყალი ერთ ფენაში ანიჭებს H- ბმას ჰორიზონტალურ წყალს მეორე ფენაში, რის შედეგადაც ხდება სრულად გაჯერებული H- ფორმის სტრუქტურა.

AFM სიმულაცია ოთხპოლუსიანი (dz 2) წვერის გამოყენებით (2b) ზემოაღნიშნულ მოდელზე დაფუძნებული კარგად შეესაბამება ექსპერიმენტულ შედეგებს (2a). სამწუხაროდ, ჰორიზონტალური და ვერტიკალური წყლის მსგავსი სიმაღლეები ართულებს მათ იდენტიფიკაციას STM გამოსახულების დროს. თუმცა, ატომური ძალის მიკროსკოპის გამოყენებისას, ორივე ტიპის წყლის მოლეკულები აშკარად გამოირჩევა (2a и 2b მართალია), რადგან უმაღლესი დონის ელექტროსტატიკური ძალა ძალიან მგრძნობიარეა წყლის მოლეკულების ორიენტაციის მიმართ.

ასევე შესაძლებელი იყო ჰორიზონტალური და ვერტიკალური წყლის OH მიმართულების შემდგომი დადგენა უმაღლესი დონის ელექტროსტატიკური ძალებისა და პაულის მოწინააღმდეგე ძალებს შორის ურთიერთქმედების გზით, როგორც ეს ნაჩვენებია წითელი ხაზებით. 2а и 2b (ცენტრი).

სურათი #3

სურათებში 3а и 3b (ნაბიჯი 1) აჩვენებს ზიგზაგისა და სავარძლის ფარფლების გაფართოებულ AFM სურათებს, შესაბამისად. აღმოჩნდა, რომ ზიგზაგის ნაპირი პირვანდელი სტრუქტურის შენარჩუნებით იზრდება და სკამის ფორმის ნაპირის ზრდასთან ერთად კიდე აღდგება 5756 რგოლის პერიოდულ სტრუქტურაში, ე.ი. როდესაც ნეკნების სტრუქტურა პერიოდულად იმეორებს თანმიმდევრობას ხუთკუთხედი - შვიდკუთხედი - ხუთკუთხედი - ექვსკუთხედი.

სიმკვრივის ფუნქციური თეორიის გამოთვლები აჩვენებს, რომ არარეკონსტრუქციული ზიგზაგის ფარფლი და 5756 სკამის ფარფლი ყველაზე სტაბილურია. 5756 ზღვარი წარმოიქმნება კომბინირებული ეფექტების შედეგად, რაც ამცირებს უჯერი წყალბადის ბმების რაოდენობას და ამცირებს დაძაბულობის ენერგიას.

მეცნიერები იხსენებენ, რომ ექვსკუთხა ყინულის ბაზალური სიბრტყეები ჩვეულებრივ მთავრდება ზიგზაგის ნეკნებით, ხოლო სკამის ფორმის ნეკნები არ არსებობს უჯერი წყალბადის ბმების უფრო მაღალი სიმკვრივის გამო. თუმცა, მცირე სისტემებში ან სადაც სივრცე შეზღუდულია, სკამის ფარფლებს შეუძლიათ მათი ენერგიის შემცირება სწორი დიზაინის საშუალებით.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, როდესაც ყინულის ზრდა 120 K-ზე შეჩერდა, ნიმუში მაშინვე გაცივდა 5 K-მდე, რათა შეეცადა გაყინულიყო მეტასტაბილური ან გარდამავალი კიდეების სტრუქტურები და უზრუნველეყოთ ნიმუშის შედარებით ხანგრძლივი სიცოცხლე დეტალური შესწავლისთვის STM და AFM გამოყენებით. ასევე შესაძლებელი გახდა ორგანზომილებიანი ყინულის ზრდის პროცესის რეკონსტრუქცია (სურათი No3) CO-ფუნქციონალიზებული მიკროსკოპის წვერის წყალობით, რამაც შესაძლებელი გახადა მეტასტაბილური და გარდამავალი სტრუქტურების აღმოჩენა.

ზიგზაგისებრი ნეკნების შემთხვევაში ზოგჯერ ცალკეული ხუთკუთხედები აღმოჩენილი იყო პირდაპირ ნეკნებზე მიმაგრებული. მათ შეეძლოთ ზედიზედ დალაგება, ქმნიან მასივს 2 x პერიოდულობით აისი (აისი არის ორგანზომილებიანი ყინულის გისოსის მუდმივი). ეს დაკვირვება შეიძლება მიუთითებდეს, რომ ზიგზაგის კიდეების ზრდა იწყება ხუთკუთხედების პერიოდული მასივის ფორმირებით (3а, ნაბიჯი 1-3), რომელიც გულისხმობს პენტაგონისთვის წყლის ორი წყვილის დამატებას (წითელი ისრები).

შემდეგი, ხუთკუთხედების მასივი დაკავშირებულია ისეთი სტრუქტურის შესაქმნელად, როგორიცაა 56665 (3а, ეტაპი 4), შემდეგ კი აღადგენს თავდაპირველ ზიგზაგის იერსახეს მეტი წყლის ორთქლის დამატებით.

სკამის ფორმის კიდეებით სიტუაცია საპირისპიროა - ხუთკუთხედების მასივები არ არის, სამაგიეროდ კიდეზე 5656-ის მსგავსი მოკლე ხარვეზები საკმაოდ ხშირად შეიმჩნევა. 5656 ფარფლის სიგრძე მნიშვნელოვნად უფრო მოკლეა ვიდრე 5756. ეს შესაძლოა იმიტომ, რომ 5656 ფარფლი არის ძალიან დაძაბული და ნაკლებად სტაბილური, ვიდრე 5756. დაწყებული 5756 სკამის ფარფლით, 575 რგოლი ადგილობრივად გარდაიქმნება 656 რგოლში ორი დამატებით. წყლის ორთქლი (3b, ეტაპი 2). შემდეგი, 656 რგოლი იზრდება განივი მიმართულებით, ქმნის 5656 ტიპის კიდეს (3b, ეტაპი 3), მაგრამ შეზღუდული სიგრძით დეფორმაციის ენერგიის დაგროვების გამო.

თუ ერთი წყლის წყვილი დაემატება 5656 ფარფლის ექვსკუთხედს, დეფორმაცია შეიძლება ნაწილობრივ შესუსტდეს და ეს კვლავ გამოიწვევს 5756 ფარფლის წარმოქმნას (3bეტაპი 4).

ზემოაღნიშნული შედეგები ძალიან საჩვენებელია, მაგრამ გადაწყდა მათი მხარდაჭერა დამატებითი მონაცემებით, რომლებიც მიღებულია წყლის ორთქლის მოლეკულური დინამიკის გამოთვლებით Au (111) ზედაპირზე.

აღმოჩნდა, რომ XNUMXD ორშრიანი ყინულის კუნძულები წარმატებით და შეუფერხებლად ჩამოყალიბდა ზედაპირზე, რაც შეესაბამება ჩვენს ექსპერიმენტულ დაკვირვებებს.

სურათი #4

სურათზე 4а ზიგზაგის ნეკნებზე ხიდების კოლექტიური ფორმირების მექანიზმი ნაჩვენებია ეტაპობრივად.

ქვემოთ მოცემულია ამ კვლევის მედია მასალა აღწერილობით.

მედია მასალა No1

აღსანიშნავია, რომ ერთი ხუთკუთხედი, რომელიც მიმაგრებულია ზიგზაგის კიდეზე, არ შეუძლია იმოქმედოს როგორც ადგილობრივი ბირთვული ცენტრი ზრდის ხელშეწყობისთვის.

მედია მასალა No2

სამაგიეროდ, ზიგზაგის კიდეზე თავდაპირველად ყალიბდება ხუთკუთხედების პერიოდული, მაგრამ შეუერთებელი ქსელი და შემდგომში შემომავალი წყლის მოლეკულები ერთობლივად ცდილობენ ამ ხუთკუთხედების დაკავშირებას, რის შედეგადაც წარმოიქმნება 565 ტიპის ჯაჭვის სტრუქტურა. სამწუხაროდ, ასეთი სტრუქტურა არ დაფიქსირებულა დროს. პრაქტიკული დაკვირვებები, რაც ხსნის მის უკიდურესად მოკლე ხანგრძლივობას.

მედია მასალა No3 და No4



ერთი წყლის წყვილის დამატება აკავშირებს 565 ტიპის სტრუქტურასა და მიმდებარე ხუთკუთხედს, რის შედეგადაც წარმოიქმნება 5666 ტიპის სტრუქტურა.

5666 ტიპის სტრუქტურა იზრდება ლატერალურად და ქმნის 56665 ტიპის სტრუქტურას და საბოლოოდ ვითარდება სრულად დაკავშირებულ ექვსკუთხა გისოსად.

მედია მასალა No5 და No6



სურათზე 4b ზრდა ნაჩვენებია სავარძლის ნეკნის შემთხვევაში. 575 ტიპის რგოლებიდან 656 ტიპის რგოლებზე გადაქცევა იწყება ქვედა ფენიდან, აყალიბებს კომპოზიციურ 575/656 სტრუქტურას, რომელიც ექსპერიმენტებში არ შეიძლება გამოირჩეოდეს 5756 ტიპის ფარფლისგან, რადგან შესაძლებელია მხოლოდ ორფენიანი ყინულის ზედა ფენის გამოსახულება. ექსპერიმენტების დროს.

მედია მასალა No7

შედეგად მიღებული ხიდი 656 ხდება ნუკლეაციის ცენტრი 5656 ნეკნის ზრდისთვის.

მედია მასალა No8

ერთი წყლის მოლეკულის დამატება 5656 ზღვარზე იწვევს უაღრესად მოძრავი დაუწყვილებელი მოლეკულის სტრუქტურას.

მედია მასალა No9

ამ დაუწყვილებელი წყლის მოლეკულებიდან ორი შეიძლება შემდგომში გაერთიანდეს უფრო სტაბილურ შვიდკუთხა სტრუქტურაში, რაც დაასრულებს გარდაქმნას 5656-დან 5756-მდე.

კვლევის ნიუანსების უფრო დეტალური გაცნობისთვის გირჩევთ ნახოთ მეცნიერები იუწყებიან.

ეპილოგი

ამ კვლევის მთავარი დასკვნა არის ის, რომ სტრუქტურების დაკვირვებული ქცევა ზრდის დროს შეიძლება იყოს საერთო ყველა ტიპის ორგანზომილებიანი ყინულისთვის. ორფენიანი ექვსკუთხა ყინული წარმოიქმნება სხვადასხვა ჰიდროფობიურ ზედაპირზე და ჰიდროფობიური შეზღუდვის პირობებში და, შესაბამისად, შეიძლება ჩაითვალოს ცალკე 2D კრისტალად (2D ice I), რომლის ფორმირება არ არის მგრძნობიარე სუბსტრატის ძირეული სტრუქტურის მიმართ.

მეცნიერები გულწრფელად ამბობენ, რომ მათი გამოსახულების ტექნიკა ჯერ არ არის შესაფერისი სამგანზომილებიან ყინულთან მუშაობისთვის, მაგრამ ორგანზომილებიანი ყინულის შესწავლის შედეგები შეიძლება გახდეს მისი მოცულობითი ნათესავის ფორმირების პროცესის ახსნის საფუძველი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, იმის გაგება, თუ როგორ ყალიბდებიან ორგანზომილებიანი სტრუქტურები, მნიშვნელოვანი საფუძველია სამგანზომილებიანი სტრუქტურების შესასწავლად. სწორედ ამ მიზნით გეგმავენ მკვლევარები მომავალში თავიანთი მეთოდის გაუმჯობესებას.

გმადლობთ, რომ კითხულობთ, იყავით ცნობისმოყვარეები და კარგი კვირა გქონდეთ ბიჭებო. 🙂

რამდენიმე რეკლამა 🙂

გმადლობთ, რომ დარჩით ჩვენთან. მოგწონთ ჩვენი სტატიები? გსურთ ნახოთ უფრო საინტერესო შინაარსი? მხარი დაგვიჭირეთ შეკვეთის განთავსებით ან მეგობრებისთვის რეკომენდაციით, ღრუბელი VPS დეველოპერებისთვის 4.99 დოლარიდან, საწყისი დონის სერვერების უნიკალური ანალოგი, რომელიც ჩვენ მიერ გამოგონილია თქვენთვის: მთელი სიმართლე VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps 19$-დან ან როგორ გავაზიარო სერვერი? (ხელმისაწვდომია RAID1 და RAID10-ით, 24 ბირთვამდე და 40 გბ-მდე DDR4).

Dell R730xd 2-ჯერ იაფია Equinix Tier IV მონაცემთა ცენტრში ამსტერდამში? Მხოლოდ აქ 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ტელევიზორი $199-დან ნიდერლანდებში! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-დან! Წაიკითხო რაღაცის შესახებ როგორ ავაშენოთ ინფრასტრუქტურის კორპუსი. კლასი Dell R730xd E5-2650 v4 სერვერების გამოყენებით 9000 ევროს ღირებულების პენი?

წყარო: www.habr.com