창문의 패턴이나 운전자의 재앙: XNUMX차원 얼음이 어떻게 자라는가

물이 세 가지 응집 상태로 발생한다는 것은 누구나 알고 있습니다. 주전자를 켜면 물이 끓고 증발하기 시작하여 액체에서 기체로 변합니다. 냉동실에 넣으면 얼음으로 변하기 시작하여 액체에서 고체 상태로 이동합니다. 그러나 특정 상황에서는 공기 중에 존재하는 수증기가 액체상을 우회하여 즉시 고체상으로 들어갈 수 있습니다. 우리는 그 결과로 이 과정을 알고 있습니다. 서리가 내린 겨울날 창문에 아름다운 패턴이 있습니다. 자동차 애호가들은 앞 유리에서 얼음 층을 긁어낼 때 매우 과학적이지는 않지만 매우 감정적이고 생생한 별명을 사용하여 이 과정을 특징짓는 경우가 많습니다. 어떤 식으로든 XNUMX차원 얼음 형성에 대한 세부 사항은 수년 동안 비밀로 가려져 있었습니다. 그리고 최근에는 처음으로 국제 과학자 팀이 얼음이 형성되는 동안 XNUMX차원 얼음의 원자 구조를 시각화할 수 있었습니다. 겉보기에 단순해 보이는 이 물리적 과정에는 어떤 비밀이 숨겨져 있으며, 과학자들은 그 비밀을 어떻게 밝혀냈으며, 그들의 발견은 어떻게 유용합니까? 연구 그룹의 보고서가 이에 대해 알려줄 것입니다. 가다.

연구기반

과장하면 우리 주변의 거의 모든 물체는 2차원입니다. 그러나 그 중 일부를 좀 더 자세히 살펴보면 XNUMX차원적인 것도 찾아볼 수 있다. 무언가의 표면에 형성되는 얼음 껍질이 이에 대한 대표적인 예입니다. 그러한 구조의 존재는 여러 번 분석되었기 때문에 과학계에서는 비밀이 아닙니다. 그러나 문제는 XNUMX차원 얼음 형성과 관련된 준안정 또는 중간 구조를 시각화하는 것이 상당히 어렵다는 것입니다. 이는 연구중인 구조의 취약성과 취약성이라는 진부한 문제 때문입니다.

다행스럽게도 최신 스캐닝 방법을 사용하면 위의 이유로 인해 최소한의 영향으로 샘플을 분석할 수 있으며, 이는 짧은 시간 내에 최대 데이터를 얻을 수 있습니다. 이번 연구에서 과학자들은 일산화탄소(CO)로 코팅된 현미경 바늘 끝을 갖춘 비접촉 원자력 현미경을 사용했습니다. 이러한 스캐닝 도구를 결합하면 금(Au) 표면에서 성장한 XNUMX차원 이중층 육각형 얼음의 가장자리 구조에 대한 실시간 이미지를 얻을 수 있습니다.

현미경 검사에 따르면 XNUMX차원 얼음이 형성되는 동안 두 가지 유형의 모서리(다각형의 두 꼭지점을 연결하는 세그먼트)가 구조에 동시에 공존하는 것으로 나타났습니다.지그재그) 및 의자 모양의 (안락 의자).

그래핀을 예로 사용한 안락의자(왼쪽)와 지그재그형(오른쪽) 가장자리.

이 단계에서 샘플을 빠르게 동결시켜 원자 구조를 자세히 조사할 수 있었습니다. 모델링도 수행했는데, 그 결과는 관측 결과와 대체로 일치했다.

지그재그 리브가 형성되는 경우 기존 가장자리에 물 분자가 추가로 추가되고 전체 과정이 브리징 메커니즘에 의해 조절되는 것으로 나타났습니다. 그러나 안락의자 갈비뼈 형성의 경우 추가 분자가 검출되지 않았으며 이는 일반적으로 XNUMX층 육각형 얼음 및 XNUMX차원 육각형 물질의 성장에 대한 전통적인 아이디어와 크게 대조됩니다.

과학자들이 관찰을 위해 주사 터널링 현미경(STM)이나 투과 전자 현미경(TEM) 대신 비접촉 원자력 현미경을 선택한 이유는 무엇입니까? 우리가 이미 알고 있듯이, 선택은 2차원 얼음의 수명이 짧고 깨지기 쉬운 구조를 연구하는 어려움과 관련이 있습니다. STM은 이전에 다양한 표면에서 성장한 XNUMXD 얼음을 연구하는 데 사용되었지만 이러한 유형의 현미경은 핵의 위치에 민감하지 않으며 팁이 이미징 오류를 일으킬 수 있습니다. 반대로 TEM은 갈비뼈의 원자 구조를 완벽하게 보여줍니다. 그러나 고품질 이미지를 얻으려면 XNUMXD 얼음의 느슨하게 결합된 가장자리는 말할 것도 없고 공유 결합된 XNUMXD 물질의 가장자리 구조를 쉽게 변경하거나 심지어 파괴할 수 있는 고에너지 전자가 필요합니다.

원자력 현미경에는 이러한 단점이 없으며 CO 코팅 팁을 사용하면 물 분자에 최소한의 영향을 미치면서 계면 물을 연구할 수 있습니다.

연구 결과

이미지 #1

Au(111) 표면에는 약 120K의 온도에서 2.5차원 얼음이 성장했으며, 그 두께는 XNUMXÅ(1а).

얼음의 STM 이미지(1c) 및 해당 고속 푸리에 변환 이미지( 1а)는 Au(111)-√3 x √3-30°의 주기성을 갖는 잘 정렬된 육각형 구조를 보여줍니다. 2D 얼음의 셀룰러 H 연결 네트워크는 STM 이미지에서 볼 수 있지만 가장자리 구조의 상세한 토폴로지를 결정하기는 어렵습니다. 동시에, 동일한 샘플 영역의 주파수 이동(Δf)을 갖는 AFM은 더 나은 이미지를 제공했습니다(1d)를 통해 구조의 의자 모양과 지그재그 단면을 시각화할 수 있게 되었습니다. 두 변형의 전체 길이는 비슷하지만 이전 리브의 평균 길이가 약간 더 깁니다(1b). 지그재그형 리브는 최대 60Å까지 자랄 수 있지만 의자 모양의 리브는 형성 과정에서 결함으로 뒤덮여 최대 길이가 10~30Å까지 줄어든다.

다음으로, 다양한 바늘 높이에서 체계적인 AFM 이미징이 수행되었습니다(2а).

이미지 #2

가장 높은 팁 높이에서 AFM 신호가 고차 정전기력에 의해 지배될 때 3차원 이중층 얼음의 3개 세트의 √XNUMX x √XNUMX 부격자가 확인되었으며 그 중 하나가 그림에 나와 있습니다. 2а (왼쪽).

바늘 높이가 낮아지면 이 하위 배열의 밝은 요소는 방향성을 나타내기 시작하고 다른 하위 배열은 V자 모양 요소로 변합니다(2a, 중앙).

최소 바늘 높이에서 AFM은 H-결합을 연상시키는 두 개의 부격자를 연결하는 명확한 선이 있는 벌집 구조를 나타냅니다.2a, 오른쪽).

밀도 함수 이론 계산은 Au(111) 표면에서 성장한 XNUMX차원 얼음이 서로 맞물린 XNUMX층 얼음 구조에 해당함을 보여줍니다.2c), 두 개의 평평한 육각형 물 층으로 구성됩니다. 두 시트의 육각형은 공액화되어 있으며 평면에서 물 분자 사이의 각도는 120°입니다.

물의 각 층에서 물 분자의 절반은 수평(기질에 평행)으로 놓여 있고 나머지 절반은 수직(기질에 수직)으로 놓여 있으며 하나의 O-H가 위 또는 아래를 향하고 있습니다. 한 층에 수직으로 놓여 있는 물은 다른 층의 수평 물에 H 결합을 제공하여 완전히 포화된 H 모양 구조를 만듭니다.

사중극자(dz 2) 팁을 사용한 AFM 시뮬레이션(2b) 위의 모델을 기반으로 한 실험 결과와 잘 일치합니다 (2a). 불행하게도 수평 및 수직 물의 높이가 비슷하기 때문에 STM 이미징 중에 식별이 어렵습니다. 그러나 원자현미경을 사용하면 두 종류의 물 분자가 명확하게 구별됩니다(2a и 2b 오른쪽) 왜냐하면 고차 정전기력은 물 분자의 방향에 매우 민감하기 때문입니다.

또한 그림의 빨간색 선으로 표시된 것처럼 고차 정전기력과 Pauli 반발력 사이의 상호 작용을 통해 수평 및 수직 물의 OH 방향성을 추가로 결정하는 것도 가능했습니다. 2а и 2b (센터).

이미지 #3

이미지에서 3а и 3b (1단계)는 각각 지그재그 핀과 안락의자 핀의 확대된 AFM 이미지를 보여줍니다. 지그재그형 엣지는 원래의 구조를 유지하면서 성장하는 것으로 나타났으며, 의자형 엣지의 성장과 함께 엣지는 5756개의 고리의 주기적인 구조로 복원되는 것을 알 수 있었다. 갈비뼈의 구조가 오각형 - 칠각형 - 오각형 - 육각형의 순서를 주기적으로 반복하는 경우.

밀도 함수 이론 계산에 따르면 재구성되지 않은 지그재그 핀과 5756 의자 핀이 가장 안정적인 것으로 나타났습니다. 5756 모서리는 불포화 수소 결합 수를 최소화하고 변형 에너지를 감소시키는 결합 효과의 결과로 형성됩니다.

과학자들은 육각형 얼음의 기본 평면이 일반적으로 지그재그 갈비뼈로 끝나고 불포화 수소 결합의 밀도가 높기 때문에 의자 모양의 갈비뼈가 없다는 것을 기억합니다. 그러나 소규모 시스템이나 공간이 제한된 경우 의자 핀은 적절한 재설계를 통해 에너지를 줄일 수 있습니다.

앞에서 언급했듯이 120K에서 얼음 성장이 중단되면 샘플을 즉시 5K로 냉각하여 준안정 또는 전이 가장자리 구조를 동결하고 STM 및 AFM을 사용한 자세한 연구를 위해 상대적으로 긴 샘플 수명을 보장했습니다. 준안정 및 전이 구조를 감지할 수 있는 CO 기능화 현미경 팁 덕분에 3차원 얼음의 성장 과정(이미지 XNUMX)을 재구성하는 것도 가능했습니다.

지그재그형 리브의 경우 직선형 리브에 개별적인 오각형이 붙어 있는 경우도 가끔 발견되었다. 그들은 일렬로 늘어서 2 x의 주기성을 갖는 배열을 형성할 수 있습니다. 에이스 (에이스 는 XNUMX차원 얼음의 격자 상수입니다. 이 관찰은 지그재그 모서리의 성장이 주기적인 오각형 배열의 형성에 의해 시작된다는 것을 나타낼 수 있습니다.3а, 1-3단계), 여기에는 오각형에 두 개의 물 쌍을 추가하는 작업이 포함됩니다(빨간색 화살표).

다음으로 오각형의 배열을 연결하여 56665(3а, 4단계), 수증기를 더 추가하여 원래의 지그재그 모양을 복원합니다.

의자 모양 모서리의 경우 상황은 반대입니다. 오각형 배열이 없지만 대신 모서리에 5656과 같은 짧은 간격이 자주 관찰됩니다. 5656 핀의 길이는 5756의 길이보다 현저히 짧습니다. 이는 아마도 5656 핀이 5756보다 응력이 높고 안정성이 낮기 때문일 것입니다. 5756 의자 핀부터 시작하여 575 링은 두 개의 링을 추가하여 국부적으로 656 링으로 변환됩니다. 수증기 (3b, 2단계). 다음으로 656개의 고리가 가로 방향으로 자라서 5656형의 모서리를 형성합니다(3b, 3단계), 변형 에너지의 축적으로 인해 길이가 제한됩니다.

5656 핀의 육각형에 물쌍 하나를 추가하면 변형이 부분적으로 약해질 수 있으며, 이는 다시 5756 핀의 형성으로 이어지게 됩니다(3b, 4단계).

위의 결과는 매우 시사적이지만 Au(111) 표면 수증기의 분자 역학 계산에서 얻은 추가 데이터를 사용하여 이를 뒷받침하기로 결정했습니다.

XNUMXD 이중층 얼음섬이 표면에 성공적으로 형성되었으며 방해받지 않는 것으로 나타났으며 이는 우리의 실험적 관찰과 일치합니다.

이미지 #4

이미지에 4а 지그재그 리브에 브리지가 집단적으로 형성되는 메커니즘을 단계별로 보여줍니다.

다음은 본 연구에 대한 설명이 포함된 미디어 자료입니다.

미디어자료 1호

지그재그 모서리에 부착된 단일 오각형은 성장을 촉진하기 위한 국지적 핵 생성 센터 역할을 할 수 없다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

미디어자료 2호

대신, 처음에는 지그재그 가장자리에 주기적이지만 연결되지 않은 오각형 네트워크가 형성되고, 이후에 들어오는 물 분자가 집합적으로 이러한 오각형을 연결하려고 시도하여 565형 사슬 구조가 형성됩니다. 실제 관찰을 통해 수명이 매우 짧은 것으로 나타났습니다.

미디어 자료 3호 및 4호



하나의 물 쌍을 추가하면 565형 구조와 인접한 오각형이 연결되어 5666형 구조가 형성됩니다.

5666형 구조는 측면으로 성장하여 56665형 구조를 형성하고 결국 완전히 연결된 육각형 격자로 발전합니다.

미디어 자료 5호 및 6호



이미지에 4b 안락의자 갈비뼈의 경우 성장이 나타납니다. 유형 575 고리에서 유형 656 고리로의 변환은 바닥층에서 시작되어 실험에서 유형 575 핀과 구별할 수 없는 복합 656/5756 구조를 형성합니다. 왜냐하면 XNUMX층 얼음의 상단 층만 이미지화할 수 있기 때문입니다. 실험 중에.

미디어자료 7호

생성된 브리지(656)는 5656 리브의 성장을 위한 핵생성 중심이 됩니다.

미디어자료 8호

5656 가장자리에 하나의 물 분자를 추가하면 이동성이 뛰어난 짝을 이루지 않은 분자 구조가 생성됩니다.

미디어자료 9호

이러한 짝을 이루지 않은 물 분자 중 두 개는 나중에 더 안정적인 칠각형 구조로 결합하여 5656에서 5756으로의 전환을 완료할 수 있습니다.

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서.

커튼콜

이 연구의 주요 결론은 성장 동안 관찰된 구조물의 거동이 모든 유형의 2차원 얼음에 공통적일 수 있다는 것입니다. 이중층 육각형 얼음은 다양한 소수성 표면과 소수성 감금 조건에서 형성되므로 별도의 2D 결정(XNUMXD 얼음 I)으로 간주될 수 있으며, 그 형성은 기판의 기본 구조에 민감하지 않습니다.

과학자들은 그들의 이미징 기술이 아직 XNUMX차원 얼음 작업에 적합하지 않다고 솔직하게 말합니다. 그러나 XNUMX차원 얼음을 연구한 결과는 부피 관련 얼음의 형성 과정을 설명하는 기초가 될 수 있습니다. 즉, XNUMX차원 구조가 어떻게 형성되는지 이해하는 것은 XNUMX차원 구조를 연구하는 데 중요한 기초가 됩니다. 이를 위해 연구진은 향후 방법론을 개선할 계획이다.

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출처 : habr.com