Судың үш агрегаттық күйде болатынын бәрі біледі. Біз шәйнекті қоямыз, су қайнап, буланып, сұйық күйден газға айналады. Біз оны мұздатқышқа қоямыз, ол мұзға айнала бастайды, осылайша сұйық күйден қатты күйге ауысады. Дегенмен, белгілі бір жағдайларда ауадағы су буы сұйық фазаны айналып өтіп, бірден қатты фазаға өтуі мүмкін. Біз бұл процесті оның нәтижесінен білеміз - қыстың аязды күнінде терезелердегі әдемі өрнектер. Автокөлік әуесқойлары алдыңғы әйнегінен мұз қабатын қырып алғанда, бұл процесті өте ғылыми емес, бірақ өте эмоционалды және жарқын эпитеттерді қолдана отырып сипаттайды. Қалай болғанда да, екі өлшемді мұздың пайда болуының егжей-тегжейлері көптеген жылдар бойы құпия болды. Жақында халықаралық ғалымдар тобы алғаш рет екі өлшемді мұздың атомдық құрылымын оның пайда болу кезінде елестете алды. Қарапайым болып көрінетін бұл физикалық процесте қандай құпиялар жасырылған, ғалымдар оларды қалай аша алды және олардың нәтижелері қаншалықты пайдалы? Бұл туралы зерттеу тобының есебінде айтылады. Бар.
Зерттеу негізі
Егер біз асыра айтатын болсақ, онда айналамыздағы барлық нысандар іс жүзінде үш өлшемді болады. Дегенмен, олардың кейбіреулерін мұқият қарастырсақ, екі өлшемділерін де табуға болады. Бір нәрсенің бетінде пайда болатын мұз қыртысы - мұның тамаша мысалы. Мұндай құрылымдардың болуы ғылыми қауымдастық үшін құпия емес, өйткені олар талай рет талданған. Бірақ мәселе мынада, 2D мұздың пайда болуына қатысатын метастабилді немесе аралық құрылымдарды елестету өте қиын. Бұл банальды проблемаларға байланысты - зерттелетін құрылымдардың сынғыштығы мен сынғыштығы.
Бақытымызға орай, заманауи сканерлеу әдістері үлгілерді ең аз әсермен талдауға мүмкіндік береді, бұл жоғарыда аталған себептерге байланысты қысқа уақыт ішінде максималды деректерді алуға мүмкіндік береді. Бұл зерттеуде ғалымдар микроскоп инесінің ұшы көміртегі тотығымен (СО) қапталған жанаспайтын атомдық күшті микроскопияны пайдаланды. Осы сканерлеу құралдарының комбинациясы алтын (Au) бетінде өсірілген екі өлшемді екіқабатты алтыбұрышты мұздың шеткі құрылымдарының нақты уақыттағы кескіндерін алуға мүмкіндік береді.
Микроскопия екі өлшемді мұздың пайда болуы кезінде оның құрылымында бір мезгілде екі түрлі қырдың (көпбұрыштың екі төбесін қосатын сегменттер) қатар өмір сүретінін көрсетті: зигзаг (зигзаг) және орындық тәрізді (кресло).
Мысал ретінде графенді пайдаланатын орындық (сол жақта) және зигзаг (оң) жиектері.
Бұл кезеңде үлгілер атом құрылымын егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік беретін тез мұздатылған. Модельдеу де жүргізілді, оның нәтижелері негізінен бақылау нәтижелерімен сәйкес келді.
Ирек қабырғалардың пайда болуы жағдайында бар жиекке қосымша су молекуласы қосылып, бүкіл процесс көпір механизмі арқылы реттелетіні анықталды. Бірақ креслолардың қабырғалары пайда болған жағдайда қосымша молекулалар анықталмады, бұл екі қабатты алтыбұрышты мұздың және жалпы екі өлшемді алтыбұрышты заттардың өсуі туралы дәстүрлі идеяларға қатты қайшы келеді.
Неліктен ғалымдар өз бақылаулары үшін сканерлеуші туннельдік микроскопты (STM) немесе трансмиссиялық электронды микроскопты (TEM) емес, байланыссыз атомдық күшті микроскопты таңдады? Біз білетініміздей, таңдау екі өлшемді мұздың қысқа мерзімді және нәзік құрылымдарын зерттеудің қиындығына байланысты. STM бұрын әртүрлі беттерде өсірілген 2D мұздарды зерттеу үшін пайдаланылған, бірақ микроскоптың бұл түрі ядролардың орналасуына сезімтал емес және оның ұшы кескіндеу қателерін тудыруы мүмкін. TEM, керісінше, қабырғалардың атомдық құрылымын тамаша көрсетеді. Дегенмен, жоғары сапалы кескіндерді алу үшін жоғары энергиялы электрондар қажет, олар ковалентті байланысқан XNUMXD материалдарының жиектерінің құрылымын оңай өзгерте алады немесе тіпті XNUMXD мұздағы неғұрлым бос байланысқан жиектерді айтпағанда.
Атомдық күштік микроскоптың мұндай кемшіліктері жоқ, ал СО-мен қапталған ұшы су молекулаларына аз әсер ететін фазааралық суды зерттеуге мүмкіндік береді.
Зерттеу нәтижелері
№1 сурет
Ау(111) бетінде шамамен 120 К температурада екі өлшемді мұз өсірілді және оның қалыңдығы 2.5 Å (1а).
Мұздың STM суреттері (1c) және сәйкес жылдам Фурье түрлендіру кескіні (кіргізілген 1а) периодтылығы Au(111)-√3 x √3-30° болатын дұрыс реттелген алтыбұрышты құрылымды көрсетіңіз. STM кескінінде 2D мұздың ұялы H-қосылған желісі көрінсе де, шеткі құрылымдардың егжей-тегжейлі топологиясын анықтау қиын. Сонымен қатар, бірдей үлгі аймағының жиілік ығысуы (Δf) бар AFM жақсы кескіндер берді (1d), бұл құрылымның орындық тәрізді және ирек кесінділерін елестетуге мүмкіндік берді. Екі нұсқаның жалпы ұзындығы салыстырмалы, бірақ алдыңғы қабырғаның орташа ұзындығы сәл ұзағырақ (1b). Зигзагты қабырғалардың ұзындығы 60 Å дейін өседі, бірақ орындық тәрізділері қалыптасу кезінде ақаулармен жабылады, бұл олардың максималды ұзындығын 10-30 Å дейін азайтады.
Әрі қарай, әртүрлі ине биіктікте жүйелі AFM кескіні жүргізілді (2а).
№2 сурет
Ең жоғары ұшы биіктікте, AFM сигналы жоғары ретті электростатикалық күшпен басым болған кезде, екі өлшемді екі қабатты мұздағы √3 x √3 ішкі торлардың екі жиынтығы анықталды, олардың біреуі мынада көрсетілген: 2а (сол).
Төменгі ине биіктікте бұл ішкі массивтің жарқын элементтері бағытты көрсете бастайды, ал басқа ішкі жиым V-тәрізді элементке айналады (2a, ортаңғы).
Иненің минималды биіктігінде AFM Н-байланыстарын еске түсіретін екі ішкі торды қосатын анық сызықтары бар ұяшық құрылымын көрсетеді (2a, оң жақта).
Тығыздықтың функционалдық теориясының есептеулері Au(111) бетінде өсірілген екі өлшемді мұздың өзара байланысқан екі қабатты мұз құрылымына сәйкес келетінін көрсетеді (2c), екі жалпақ алтыбұрышты су қабатынан тұрады. Екі парақтың алтыбұрыштары біріктірілген, ал жазықтықтағы су молекулалары арасындағы бұрыш 120°.
Судың әрбір қабатында су молекулаларының жартысы көлденең (субстратқа параллель) және екінші жартысы тігінен (субстратқа перпендикуляр) жатады, бір O–H жоғары немесе төмен бағытталған. Бір қабаттағы тігінен жатқан су басқа қабаттағы көлденең суға Н-байланысты береді, нәтижесінде толық қаныққан Н-тәрізді құрылым пайда болады.
Төрт полюсті (dz 2) ұшын пайдаланып AFM симуляциясы (2b) жоғарыда келтірілген модельге негізделген эксперимент нәтижелерімен жақсы сәйкес келеді (2a). Өкінішке орай, көлденең және тік судың ұқсас биіктіктері STM бейнелеу кезінде оларды анықтауды қиындатады. Алайда атомдық күштік микроскопияны қолданғанда судың екі түрінің де молекулалары анық ерекшеленеді (2a и 2b оң) өйткені жоғары ретті электростатикалық күш су молекулаларының бағытына өте сезімтал.
Сондай-ақ жоғары ретті электростатикалық күштер мен Паули итеруші күштер арасындағы өзара әрекеттесу арқылы көлденең және тік судың O-H бағытын одан әрі анықтау мүмкін болды, бұл қызыл сызықтармен көрсетілген. 2а и 2b (орталық).
№3 сурет
Суреттерде 3а и 3b (1-кезең) сәйкесінше зигзаг пен орындық қанаттарының үлкейтілген AFM кескіндерін көрсетеді. Зигзаг жиегі өзінің бастапқы құрылымын сақтай отырып өсетіні анықталды, ал орындық тәрізді жиектің өсуімен жиегі 5756 сақинаның мерзімді құрылымында қалпына келтіріледі, т.б. қабырғалардың құрылымы мезгіл-мезгіл бесбұрыш - жетібұрыш - бесбұрыш - алтыбұрыш тізбегін қайталағанда.
Тығыздықтың функционалдық теориясының есептеулері қалпына келтірілмеген ирек қанат пен 5756 орындықтың ең тұрақты екенін көрсетеді. 5756 жиегі қанықпаған сутегі байланыстарының санын азайтатын және деформация энергиясын азайтатын біріктірілген әсерлердің нәтижесінде қалыптасады.
Ғалымдар алтыбұрышты мұздың базальды жазықтықтары әдетте ирек қабырғалармен аяқталатынын және қанықпаған сутектік байланыстардың жоғары тығыздығына байланысты орындық тәрізді қабырғалар жоқ екенін еске түсіреді. Дегенмен, кішігірім жүйелерде немесе кеңістік шектеулі жерлерде орындық қанаттары дұрыс қайта жобалау арқылы өз энергиясын азайта алады.
Бұрын айтылғандай, 120 К температурада мұздың өсуі тоқтатылған кезде, метатұрақты немесе өтпелі шеттік құрылымдарды мұздатуға тырысу және STM және AFM көмегімен егжей-тегжейлі зерттеу үшін үлгінің салыстырмалы түрде ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз ету үшін үлгі дереу 5 К дейін салқындатылды. Сондай-ақ СО-функционалды микроскоптың ұшының арқасында екі өлшемді мұздың өсу процесін қайта құру мүмкін болды (сурет №3), бұл метатұрақты және өтпелі құрылымдарды анықтауға мүмкіндік берді.
Ирек қабырғалар жағдайында кейде түзу қабырғаларға бекітілген жеке бесбұрыштар табылды. Олар 2 х кезеңділігі бар массив құра отырып, бір қатарға тұра алады айс (айс екі өлшемді мұздың тор константасы). Бұл байқау зигзаг жиектерінің өсуі бесбұрыштардың мерзімді массивінің пайда болуымен басталатынын көрсетуі мүмкін (3а, 1-3 қадам), бұл бесбұрыш үшін екі су жұбын қосуды қамтиды (қызыл көрсеткілер).
Әрі қарай, бесбұрыштар массиві 56665 сияқты құрылымды қалыптастыру үшін қосылады.3а, 4-кезең), содан кейін көбірек су буын қосу арқылы бастапқы зигзаг көрінісін қалпына келтіреді.
Орындық тәрізді жиектерде жағдай керісінше - бесбұрыштар массивтері жоқ, бірақ оның орнына жиекте 5656 сияқты қысқа саңылаулар жиі байқалады. 5656 желбезектің ұзындығы 5756-ға қарағанда айтарлықтай қысқа. Бұл 5656 финнің 5756-ға қарағанда қатты кернеулі және тұрақтылығы төмен болғандықтан болуы мүмкін. 5756 орындық қанатынан бастап, 575 сақина екі қосу арқылы жергілікті түрде 656 сақинаға түрлендіріледі. су буы (3b, 2 кезең). Әрі қарай, 656 сақина көлденең бағытта өсіп, 5656 түрінің жиегін құрайды (3b, 3-кезең), бірақ деформация энергиясының жинақталуына байланысты шектеулі ұзындықпен.
Егер 5656 финнің алтыбұрышына бір су жұбы қосылса, деформация ішінара әлсіреуі мүмкін және бұл қайтадан 5756 финнің пайда болуына әкеледі (3b, 4 кезең).
Жоғарыда келтірілген нәтижелер өте индикативті, бірақ оларды Au (111) бетіндегі су буының молекулалық динамикалық есептеулерінен алынған қосымша деректермен растау туралы шешім қабылданды.
2D екі қабатты мұз аралдары жер бетінде сәтті және кедергісіз қалыптасқаны анықталды, бұл біздің эксперименттік бақылауларымызға сәйкес келеді.
№4 сурет
Сурет бойынша 4а Зигзаг қабырғаларында көпірлердің ұжымдық қалыптасу механизмі кезең-кезеңімен көрсетілген.
Төменде сипаттамасымен осы зерттеу бойынша БАҚ материалдары берілген.
№1 БАҚ материалы
Айта кету керек, ирек жиекке бекітілген жалғыз бесбұрыш өсуді ынталандыру үшін жергілікті ядролық орталық ретінде әрекет ете алмайды.
№2 БАҚ материалы
Оның орнына бастапқыда ирек жиекте периодты, бірақ бір-бірімен байланысы жоқ бесбұрыштар желісі пайда болады, ал кейіннен келетін су молекулалары осы бесбұрыштарды біріктіруге әрекеттенеді, нәтижесінде 565 типті тізбек құрылымы пайда болады.Өкінішке орай, мұндай құрылым уақытында байқалған жоқ. практикалық бақылаулар, бұл оның өте қысқа қызмет ету мерзімін түсіндіреді.
No3 және No4 БАҚ материалы
Бір су жұбының қосылуы 565 типті құрылым мен іргелес бесбұрышты байланыстырады, нәтижесінде 5666 типті құрылым пайда болады.
5666 типті құрылым 56665 типті құрылымды қалыптастыру үшін бүйір жағынан өседі және ақырында толығымен қосылған алтыбұрышты торға айналады.
No5 және No6 БАҚ материалы
Сурет бойынша 4b өсу креслоның қабырғасының жағдайында көрсетіледі. 575 типті сақиналардан 656 типті сақиналарға түрлендіру төменгі қабаттан басталады, композиттік 575/656 құрылымды құрайды, оны эксперименттерде 5756 типті финнан ажыратуға болмайды, өйткені екі қабатты мұздың тек үстіңгі қабатын бейнелеуге болады. эксперименттер кезінде.
№7 БАҚ материалы
Алынған көпір 656 5656 қабырғаның өсуіне арналған ядролық орталыққа айналады.
№8 БАҚ материалы
5656 шетіне бір су молекуласын қосу жоғары қозғалмалы жұпталмаған молекула құрылымына әкеледі.
№9 БАҚ материалы
Осы жұпталмаған су молекулаларының екеуі кейінірек 5656-дан 5756-ға дейін түрлендіруді аяқтай отырып, неғұрлым тұрақты жетібұрышты құрылымға қосыла алады.
Зерттеудің нюанстарымен толығырақ танысу үшін мен қарауды ұсынамын .
Эпилогия
Бұл зерттеудің негізгі қорытындысы өсу кезіндегі құрылымдардың байқалатын мінез-құлқы екі өлшемді мұздың барлық түрлеріне ортақ болуы мүмкін. Екі қабатты алтыбұрышты мұз әртүрлі гидрофобты беттерде және гидрофобты шектеу жағдайында қалыптасады, сондықтан қалыптасуы субстраттың негізгі құрылымына сезімтал емес жеке 2D кристалы (2D мұз I) ретінде қарастырылуы мүмкін.
Ғалымдар олардың кескіндеу техникасы әлі үш өлшемді мұзбен жұмыс істеуге жарамсыз екенін айтады, бірақ екі өлшемді мұзды зерттеу нәтижелері оның көлемдік салыстырмалысының қалыптасу процесін түсіндіруге негіз бола алады. Басқаша айтқанда, екі өлшемді құрылымдардың қалай пайда болатынын түсіну үш өлшемді құрылымдарды зерттеудің маңызды негізі болып табылады. Дәл осы мақсатта зерттеушілер болашақта әдістемесін жетілдіруді жоспарлап отыр.
Оқығаныңыз үшін рахмет, қызық болыңыз және апта жақсы өтсін. 🙂
Кейбір жарнамалар 🙂
Бізбен бірге болғандарыңызға рахмет. Сізге біздің мақалалар ұнайды ма? Қызықты мазмұнды көргіңіз келе ме? Тапсырыс беру немесе достарыңызға ұсыну арқылы бізге қолдау көрсетіңіз, , Сіз үшін біз ойлап тапқан бастапқы деңгейдегі серверлердің бірегей аналогы: (RAID1 және RAID10, 24 ядроға дейін және 40 ГБ DDR4 дейін қол жетімді).
Dell R730xd Амстердамдағы Equinix Tier IV деректер орталығында 2 есе арзан ба? Тек осында Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 ГГц 6C 128 ГБ DDR3 2x960 ГБ SSD 1 Гбит/с 100 ТБ - 99 доллардан бастап! туралы оқыңыз
Ақпарат көзі: www.habr.com