Всем известно, что вода встречается в трех агрегатных состояниях. Ставим чайник, и вода начинает кипеть и испаряться, переходя из жидкого в газообразное. Ставим ее в морозилку, и она начинает превращаться в лед, тем самым переходя из жидкого в твердое состояние. Однако при определенных обстоятельствах водяной пар, присутствующий в воздухе может сразу переходить в твердую фазу, минуя жидкостную. Нам знаком этот процесс по его результату — красивым узорам на окнах в морозный зимний день. Автолюбители же, соскребая с лобового стекла слой льда, частенько характеризуют данный процесс, используя не очень научные, но очень эмоциональные и яркие эпитеты. Так или иначе, детали образования двумерного льда многие годы были под покровом тайны. И вот недавно международная команда ученых впервые смогла визуализировать атомарную структуру двумерного льда в процессе его образования. Какие секреты сокрыты в этом на первый взгляд простом физическом процессе, как ученым удалось их раскрыть и чем полезны их находки? Об этом нам поведает доклад исследовательской группы. Поехали.
Investigatio basis
Si exaggeramus, omnia circa nos virtualiter sunt tria dimensiva. Sed si aliqua earum subtilius consideremus, etiam duo dimensiva invenire possumus. Exemplum glaciei quod in superficie alicuius format primum exemplum est. Exsistentia talium structurarum communitati scientificae secretum non est, quia pluries enucleata sunt. Sed problema est quod difficillimum est structuras metasbiles vel medias visualizare quae in formatione 2D glaciei sunt. Hoc accidit quaestionibus vulgares — fragilitas et fragilitas structurarum studuntur.
Fortunate moderni modi intuens exempla cum minimo impulsu enucleari sinunt, quae maximam datam brevi temporis spatio obtinendam, ob causas praedictas, permittit. In hoc studio, viri docti microscopii vim atomicam non-contagium adhibebant, apice acus microscopii cum monoxide carbonii obductis (CO). Coniunctio horum instrumentorum intuens efficit ut reale temporis imagines obtineant structurarum extremitatum bilayri hexagonalis glaciei in superficie aurea creverunt.
Microscopia monstravit in formatione duorum dimensionum glaciei, duo genera orarum (segmenta duobus angulis polygoni connexis) simul in structura sua coexistere: obliquum (obliquum) и креслообразные (soliumque contulerit).
Armchair (reliquit) et obliquum (rectum) marginibus utens graphene in exemplum.
На этом этапе образцы были быстро заморожены, что позволило детально рассмотреть структуру атомов. Также было проведено моделирование, результаты которого во многом совпадали с результатами наблюдений.
Inventum est in formatione obliqua costarum, moleculae aquae additae ad marginem existentem adici, et totum processum mechanismum variandi regitur. At in costarum formatione nullae moleculae additae sunt deprehensae, quae fortiter opponit notionibus translaticiis de incremento duorum laicorum hexagonalium glaciem et substantiarum hexagonalium duarum dimensivarum in genere.
Cur phisici vim microscopii atomicam non-contacti pro observationibus suis potius eligunt quam microscopii (STM) specus, vel microscopii electronici transmissionis? Ut iam novimus, electio se habet ad difficultatem perspiciendi breves et fragiles structuras duarum dimensivarum glaciei. STM antea ad studium 2D glacierum in variis superficiebus crevit, sed hoc genus microscopii situm nuclei non sentit, et eius extremum errorum imaginatio causare potest. TEM e contra structuram costarum atomicam perfecte ostendit. Nihilominus, imagines GENERALES obtinens industriam electrons altam requirit, quae facile mutare vel etiam extremam structuram covalenter conjunctam XNUMXD materiarum delere, ne dicam laxe conjunctae margines in glacie XNUMXD.
Vim atomica microscopio talia incommoda non habet, et extremum COiactatum studium aquae interfacialis cum minimis influentiis in moleculis aquae permittit.
Investigationis eventus
Imago #1
Glacies duae dimensiva in Au (111) superficie in temperatura circiter 120 K creverunt, et crassitudo eius 2.5 Å (.1a).
СТМ снимки льда (1c) et respondens celeriter Fourieriani imaginem transformat (inset in 1a) показывают хорошо упорядоченную гексагональную структуру с периодичностью Au (111)-√3 х √3-30°. Хотя сотовая H-связанная сеть 2D льда и видна на изображении STM, детальную топологию краевых структур определить весьма проблематично. При этом АСМ с частотным смещением (Δf) того же участка образца дало более качественные снимки (1d) quae effecit ut invisibiles cathedras informes et obliquas sectiones structurae visualizare posset. Tota longitudo variantium utriusque comparabilis est, sed mediocris longitudo costae praedecessoris paulo longior est.1b). Costae Zigzag usque ad 60Å longitudinis crescere possunt, sed cathedrae informes fiunt vitiis in formatione obsita, quae maximam longitudinem ad 10-30 reducit.
Deinde imaginatio systematica AFM in diversis acus altis efferebatur (2a).
Imago #2
In altissima apice altitudinis, cum signum AFM vi electrostatic altiori dominatur, binae 3 x √3 sublattices in duobus dimensionibus glaciei bilayer notatae sunt, quarum altera in demonstratur. 2a (reliquit).
In inferioribus acus altis, elementa clara huius subarray directionalitatem ostendere incipiunt, et alia subarraia in elementum V informatum vertit (2asitas).
Ad minimam acus altitudinem, AFM favum mellis structuram manifestat cum lineis duobus sublatticis connectentibus, simile vinculorum H-2aa dextra).
Densitas theoriae utilitatis calculi ostendunt glaciem duplicem dimensivalem in Au (111) superficiei congruentem respondere structurae structuris duobus iacuentibus interclusis (2s), состоящей из двух плоских гексагональных слоев воды. Шестиугольники двух листов находятся в сопряжении, а угол между молекулами воды в плоскости составляет 120°.
In utroque lavacro aquae, dimidia moleculae aquae horizontaliter (parallelae subiectae) iacent, et altera medietas verticaliter (perpendicularis subiecta), uno O-H sursum vel deorsum tendens. Vertice aqua iacens in uno strato ligamen aquae horizontali in alio strato donat, inde in structura H-formata plene saturata.
AFM simulation uti quadrupole (dz 2) tip (2b) fundatur in exemplar supra bonum consensum cum eventis experimentalibus (2a). Infeliciter, similia altitudines aquae horizontalis et verticalis identificatio difficiles faciunt in imaginatione STM. Attamen, cum microscopio utens vi atomica, moleculae utriusque aquae dilucide distinguuntur (2a и 2b right) quia ordo superior vis electrostatic valde sensilis est ad orientationem aquae moleculae.
Potuit etiam ulterius determinare directionalitatem aquae horizontalis et verticalis OH per commercium inter vires superiores ordinis electrostaticae et Pauli copias repulsivas, sicut patet lineis rubris in 2a и 2b (по центру).
Imago #3
in imaginibus 3a и 3b (Stage 1) AfM imagines obliquae et contulerit pinnulis respective auctas ostendit. Inventum est quod obliquum marginem auget servato pristino suo structurae, et ad marginem cathedrae increbrescentibus, marginem restitutum est in structura periodica anulorum 5756, i.e. cum costarum structura periodice repetit ordinem pentagonum - heptagonum - pentagonum - hexagonum.
Densitas theoriae utilitatis calculi ostendunt pinnam obliquum non absolutum et pinna cathedrae 5756 firmissimum esse. 5756 limbus formatus est effectus coniunctorum qui numerum vinculorum inconsolutae hydrogenii minuunt et industriam intendunt.
Medici memorant plana basalia glaciei hexagonalis plerumque in costis obliqua finire, et costas cathedras formatas abesse ob densitatem altiorem vinculorum hydrogenii insaturatam. Tamen in parvis systematibus vel ubi spatium limitatur, cathedrae pinnulae suam industriam per redesignum proprium reducere possunt.
Как уже упоминалось ранее, когда рост льда при температуре 120 К был остановлен, образец сразу же охладили до 5 К, чтобы попытаться заморозить метастабильные или переходные реберные структуры и обеспечить относительно долгий срок жизни образца для его детального изучения с применением СТМ и АСМ. Реконструировать процесс роста двумерного льда (изображение №3) удалось еще и благодаря CO-функционализированной игле микроскопа, которая позволила засечь метастабильные и переходные структуры.
В случае зигзагообразных ребер иногда обнаруживались отдельные пятиугольники, прикрепленные к прямым ребрам. Они могли выстраиваться в ряд, образуя массив с периодичностью 2 х aice (aice cancellos constans ex glacie dimensiva). Haec animadversio indicare potest incrementum obliquum marginum initiari a formatione pentagoni periodici ordinatae.3a1-3, quae duo paria aquae pro pentagono (sagittae rubrae).
Deinde pentagoni ordo iungitur ad structuram conformandam 56665 (.3a, scaena 4), et tunc restaurat species originalis obliquas vaporum aquae addendo.
С креслообразными ребрами ситуация противоположна — массивов пятиугольников нет, а вместо этого достаточно часто наблюдаются короткие промежутки типа 5656 на ребре. Длина ребра типа 5656 значительно меньше, чем у 5756. Это, возможно, связано с тем, что ребро типа 5656 сильно напряжено и менее стабильно, чем 5756. Начиная с креслообразного ребра типа 5756 575-кольца локально преобразуются в кольца типа 656 путем добавления двух водных пар (3b, Scaena 2). Deinde, circuli 656 in partem transversalem crescunt, extremam partem generis 5656 formantes.3b, scaena 3), sed cum modica longitudine ob cumulum deformationis industriae.
Если добавить одну водную пару в шестиугольник ребра типа 5656, то деформацию можно частично ослабить, а это снова приведет к формированию ребра типа 5756 (3b, Scaena 4).
Вышеописанные результаты являются весьма показательными, однако было решено их подкрепить дополнительными данными, полученными из молекулярно-динамических расчетов водяного пара на поверхности Au (111).
Inventum est XNUMXD insulas glaciei duplices in superficie feliciter formatas et expeditas, quae observationibus experimentalibus nostris consentaneum est.
Imago #4
Ad imaginem 4a Mechanismus formationis collectivae pontium in obliqua costis gradatim ostenditur.
Ниже представлены медиа-материалы по данному исследованию с описанием.
Медиа-материал №1
Notatu dignum est unum pentagonum obliquum ore adnexum non posse agere tamquam centrum localis nuclei ad incrementum promovendum.
Медиа-материал №2
Pro retis periodicis sed inconnexis pentagonis initio formae obliquae in margine, et subsequentes aquae ineuntes moleculae collective has pentagonas coniungere conantur, inde in formatione catenarum 565 typus. observationes practicae, quae brevissime restant explicat.
Медиа-материал №3 и №4
Additio unius coniugationis aquae coniungit 565 structuram speciei et pentagonum adjacentem, inde in formatione structurae speciei 5666.
5666 structura typus lateraliter adolescit, ut 56665 structuram formaret ac tandem in cancellos hexagonales plene connexos evadit.
Медиа-материал №5 и №6
Ad imaginem 4b augmentum ostenditur in costa thalami. Conversio a typo 575 annuli ad typum 656 annuli ab imo iacuit incipit, compositum 575/656 structuram formans, quae in experimentis non potest discerni a typo 5756 pinna, cum solum summum stratum duorum cratium glaciei effigiari possit. per experimenta.
Медиа-материал №7
Pons inde 656 fit centrum nuclei pro incremento costae 5656.
Медиа-материал №8
Добавление одной молекулы воды в ребро типа 5656 приводит к очень подвижной непарной структуре молекулы.
Медиа-материал №9
Duae hae moleculae aquae inexpeditae possunt postea in structuram heptagonalem stabiliori miscere, conversionem ab anno 5656 ad 5756 completam.
Pro accuratiore studiorum notis ac simplicium rerum notis commendo .
epilogus,
Praecipua huius studii conclusio est ut mores structurae in incremento observatae communes sint omnibus generibus duorum dimensionum glaciei. Bilayer glaciei hexagonalis formas in variis superficiebus hydrophobicis et sub claustro hydrophobicis conditionibus, ac propterea considerari potest ut separatum 2D crystallum (2D glaciei I), cuius formatio minime sentitur structurae subiectae subiecti.
Docti honeste dicunt suam technicam imaginationem nondum idoneam ad laborem trium dimensivarum glaciei, sed eventus investigationis in duobus dumtaxat glaciem posse esse fundamentum ad explicandum processum formationis sui relativi voluminis. Aliis verbis, intelligens quomodo duae structurae dimensivarum magni ponderis fundamentum sit ad tres dimensivas pervestigandas. Qua de causa investigatores rationem suam in futurum emendare instituunt.
Gratias legendi, mane curiosus et magnas hebdomadas latinas habent. 🙂
Quidam ads
Gratias tibi ago pro manendo nobiscum. Placetne tibi vasa nostra? Vis videre plus interesting contentus? Suscipe nos ponendo ordinem vel commendando amicos; , unicum analogum de ingressu servientibus, quod a nobis pro vobis est inventum: (praesto cum RAID1 et RAID10, usque ad 24 coros et usque ad 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x vilius in Equinix Tier IV centri Amstelodami? Tantum hic in Belgio! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - from $99! Read about
Source: www.habr.com