D'Welt ronderëm eis ass d'gemeinsame Resultat vu ville Phänomener a Prozesser aus verschiddene Wëssenschaften, et ass praktesch onméiglech déi wichtegst erauszefannen. Trotz engem gewësse Grad vu Rivalitéit, vill Aspekter vu bestëmmte Wëssenschaften hunn ähnlech Features. Loosst eis Geometrie als Beispill huelen: alles wat mir gesinn huet eng gewësse Form, vun deenen ee vun de meescht üblech an der Natur de Krees, de Krees, d'Kugel, de Ball ass (den Trend ass evident). De Wonsch Kugelgestalt ze sinn ass manifestéiert a béid Planéiten an Atomstärekéip. Mee et gëtt ëmmer eng Ausnam zu de Regelen. Wëssenschaftler vun der Universitéit vu Leuven (Belsch) hu festgestallt, datt Goldatome net kugelfërmeg, mee pyramidesch Stärekéip bilden. Wat verursaacht dëst ongewéinlech Verhalen vu Goldatomen, wéi eng Eegeschaften hunn wäertvoll Pyramiden, a wéi kann dës Entdeckung an der Praxis applizéiert ginn? Mir léieren iwwer dëst aus dem Bericht vun de Wëssenschaftler. Gitt.
Basis vun der Etude
D'Existenz vun ongewéinleche Stärekéip vu Goldatomer ass scho laang bekannt. Dës Strukturen hunn ongewéinlech chemesch an elektronesch Eegeschaften, dofir ass den Interessi un hinnen nëmmen iwwer d'Jore eropgaang. Déi meescht Studien hu sech op d'Studie vun Dimensiounsofhängegkeeten konzentréiert, awer sou eng Studie erfuerdert kontrolléiert Synthese an héich Präzisiounsmiessungen.
Natierlech ginn et verschidden Aarte vu Stärekéip, awer déi populärste fir Studie ass Au20, dat heescht e Stärekoup vun 20 Goldatomer. Seng Popularitéit ass wéinst senger héich symmetrescher tetrahedral* Struktur an iwwerraschend grouss HOMO-LUMO (HL) duerch Spalt (Lück)*.
Tetrahedron* - e Polyhedron mat véier Dräieck als Gesiichter. Wa mir ee vun de Gesiichter als Basis betruechten, da kann den Tetrahedron eng dreieckeg Pyramid genannt ginn.
HOMO-LUMO Gap (Lück)* - HOMO a LUMO sinn Aarte vu molekulare Orbitaler (eng mathematesch Funktioun déi d'Welleverhalen vun Elektronen an enger Molekül beschreift). HOMO steet fir héchst besat molekulare Ëmlafbunn, an LUMO steet fir niddregsten onbesat molekulare Ëmlafbunn. D'Elektronen vun enger Molekül am Grondzoustand fëllen all Orbitaler mat den niddregsten Energien. Den Ëmlaf, deen déi héchst Energie ënner de gefëlltenen huet, gëtt HOMO genannt. Am Tour ass LUMO den niddregsten Energieëmlafbunn. Den Energiedifferenz tëscht dësen zwou Aarte vun Orbitaler gëtt den HOMO-LUMO Spalt genannt.
Photoelektronespektroskopie vum Au20 huet gewisen datt den HOMO-LUMO Spalt 1.77 eV ass.
Simulatiounen, déi op der Basis vun der Dichtfunktiounstheorie duerchgefouert goufen (eng Method fir d'elektronesch Struktur vu Systemer ze berechnen) hunn gewisen datt sou en Energiedifferenz exklusiv duerch eng tetrahedresch Pyramid vun der Td-Symmetrie (tetrahedrescher Symmetrie) erreecht ka ginn, wat déi stabilst Geometrie fir den Au20 Cluster.
Wëssenschaftler bemierken datt fréier Fuerschung iwwer Au20 extrem ongenau Resultater ginn huet wéinst der Komplexitéit vum Prozess. Virdrun gouf en Iwwerdroungs-Scanner-Elektronenmikroskop benotzt, déi héich Energie vum Strahl huet d'Observatiounsresultater verzerrt: eng konstant Schwankung vun Au20 gouf tëscht verschiddene strukturelle Konfiguratiounen observéiert. A 5% vun de kritt Biller war den Au20 Stärekoup tetrahedral, an de Rescht war seng Geometrie komplett gestéiert. Dofir kann d'Existenz vun enger tetraedrescher Au20 Struktur op engem Substrat aus zum Beispill amorphem Kuelestoff kaum XNUMX% bewisen genannt ginn.
An der Studie déi mir haut iwwerpréiwen, hunn d'Wëssenschaftler decidéiert eng méi sanft Method fir Au20 ze studéieren, nämlech Scannen Tunnelmikroskopie (STM) a Scannen Tunnelspektroskopie (STS). D'Objete vun der Observatioun waren Au20 Stärekéip op ultradënnen NaCl Filmer. STM erlaabt eis déi dreieckeg Symmetrie vun der Pyramidstruktur ze bestätegen, an STS-Daten hunn et méiglech gemaach den HOMO-LUMO Spalt ze berechnen, deen esou vill wéi 2.0 eV war.
Studiepräparatioun
D'NaCl Schicht gouf op engem Au (111) Substrat mat chemescher Dampdepositioun bei 800 K an enger STM Chamber ënner ultrahéich Vakuumbedéngungen ugebaut.
Au20 Stärekoup Ionen goufen duerch e Magnetron Sputtering Setup produzéiert a Gréisst ausgewielt mat engem Quadrupol Massefilter. D'Sputterquell huet am kontinuéierleche Modus operéiert an huet eng grouss Fraktioun vu geluedenen Stärekéip produzéiert, déi duerno an de Quadrupol-Massfilter koumen. Ausgewielt Cluster goufen op engem NaCl / Au (111) Substrat deposéiert. Fir niddereg Dicht Oflagerung war de Stärekoup Flux 30 pA (Picoamps) an Oflagerung Zäit war 9 Minutten; fir Héich-Dicht Oflagerung, et war 1 nA (Nanoamps) a 15 Minutten. Den Drock an der Chamber war 10-9 mbar.
Fuerschungsresultater
Mass ausgewielt anionesch Au20 Stärekéip mat ganz gerénger Ofdeckungsdicht goufen bei Raumtemperatur op ultradënn NaCl Inselen deposéiert, dorënner 2L, 3L a 4L (Atomesch Schichten).
Bild #1
op 1A Et kann gesi ginn datt de gréissten Deel vum erwuessene NaCl dräi Schichten huet, Gebidder mat zwee a véier Schichten besetzen e méi klengt Gebitt, an 5L Beräicher si praktesch fehlen.
Au20 Stärekéip goufen an den dräi- a véier-Layer Regiounen fonnt, mee waren an 2L fehlen. Dëst gëtt erkläert duerch d'Tatsaach datt Au20 duerch 2L NaCl passéiere kann, awer am Fall vun 3L a 4L NaCl ass et op hirer Uewerfläch behalen. Bei enger gerénger Beschichtungsdicht an der Regioun vun 200 x 200 nm, goufen vun 0 bis 4 Stärekéip observéiert ouni Unzeeche vun Au20 Agglomeratioun (Akkumulatioun).
Wéinst der ze héijer Resistenz vu 4L NaCl an der Onstabilitéit beim Scannen vun eenzelen Au20 op 4L NaCl hunn d'Wëssenschaftler sech op d'Studie vu Cluster op 3L NaCl konzentréiert.
Bild #2
Mikroskopie vu Stärekéip an 3L NaCl huet gewisen datt hir Héicht 0.88 ± 0.12 nm ass. Dës Figur ass am exzellenten Accord mat de Modellerresultater, déi eng Héicht vun 0.94 ± 0.01 nm virausgesot hunn (2A). Mikroskopie huet och gewisen datt verschidde Stärekéip eng dräieckeg Form hunn mat engem ausstehenden Atom uewen, wat an der Praxis theoretesch Fuerschung iwwer d'pyramidesch Form vun der Au20 Struktur bestätegt (2B).
D'Wëssenschaftler bemierken datt wann Dir extrem kleng dreidimensional Objeten visualiséiert, wéi Au20 Stärekéip, et extrem schwéier ass gewësse Ongenauegkeeten ze vermeiden. Fir déi genee Biller ze kréien (souwuel aus atomarer wéi geometrescher Siicht), war et néideg en ideal atomesch schaarf Cl-funktionaliséierte Mikroskop Tipp ze benotzen. Eng pyramidesch Form gouf an zwee Cluster identifizéiert (1B и 1С), dreidimensional Biller vun deenen an 1D и 1E, respektiv.
Och wann d'dreieckeg Form an d'Héichtverdeelung weisen datt déi deposéiert Cluster eng pyramidesch Form behalen, STM Biller (1B и 1С) weisen keng perfekt tetrahedral Strukturen. Gréisste Wénkel op der Foto 1B ass ongeféier 78°. An dat ass 30% méi wéi 60° fir en ideale Tetrahedron mat Td-Symmetrie.
Et kënnen zwee Grënn dofir sinn. Als éischt ginn et Ongenauegkeeten an der Imaging selwer, verursaacht souwuel duerch d'Komplexitéit vun dësem Prozess wéi och duerch d'Tatsaach datt den Tipp vun der Mikroskopnadel net steif ass, an dëst kann och d'Biller verzerren. Den zweete Grond ass wéinst der interner Verzerrung vum ënnerstëtzten Au20. Wann Au20 Stärekéip mat Td-Symmetrie op engem quadrateschen NaCl Gitter landen, verzerrt d'Symmetrie-Mëssmatch déi ideal tetrahedresch Struktur vum Au20.
Fir de Grond fir esou Ofwäichungen an de Fotoen erauszefannen, hunn d'Wëssenschaftler Daten iwwer d'Symmetrie vun dräi optimiséierten Au20 Strukturen op NaCl analyséiert. Als Resultat gouf festgestallt datt d'Cluster nëmme liicht verzerrt sinn vun der idealer tetrahedrescher Struktur mat Td-Symmetrie mat enger maximaler Ofwäichung an atomarer Positiounen vun 0.45. Dofir sinn Verzerrungen an de Biller d'Resultat vun Ongenauegkeeten am Imaging Prozess selwer, an net vun all Ofwäichunge vun der Oflagerung vu Cluster op de Substrat an / oder der Interaktioun tëscht hinnen.
Net nëmmen déi topographesch Donnéeën si kloer Unzeeche vun der pyramidaler Struktur vum Au20 Stärekoup, awer och eng zimlech grouss HL Spalt (ongeféier 1.8 eV) am Verglach mat aneren Au20 Isomeren* mat manner Energie (an der Theorie ënner 0.5 eV).
Isomeren* - Strukturen déi identesch sinn an der atomarer Zesummesetzung a molekulare Gewiicht, awer ënnerscheede sech an hirer Struktur oder Arrangement vun Atomer.
Analyse vun den elektroneschen Eegeschafte vu Stärekéip op engem Substrat deposéiert mat Scannentunnelspektroskopie (1F) huet et méiglech gemaach den Differentialkonduktivitéitsspektrum (dI/dV) vum Au20 Stärekoup ze kréien, deen e grousse Bandspalt (Eg) gläich wéi 3.1 eV weist.
Zënter datt de Stärekoup elektresch duerch isoléierend NaCl-Filmer gespléckt gëtt, entsteet eng duebel-Barriär-Tunnelverbindung (DBTJ), déi eenzel Elektronen-Tunneleffekter verursaacht. Dofir ass d'Diskontinuitéit am dI/dV Spektrum d'Resultat vun der gemeinsamer Aarbecht vun der Quante HL Diskontinuitéit (EHL) an der klassescher Coulomb Energie (Ec). Miessunge vu Pausen am Spektrum hu vun 2.4 bis 3.1 eV fir siwe Stärekéip gewisen (1F). Déi observéiert Diskontinuitéite si méi grouss wéi d'HL Diskontinuitéiten (1.8 eV) an der Au20 Gasphase.
D'Verännerlechkeet vu Pausen a verschiddene Cluster ass wéinst dem Miessprozess selwer (d'Positioun vun der Nadel relativ zum Cluster). De gréisste Spalt gemooss an dI/dV Spektrum war 3.1 eV. An dësem Fall war den Tipp wäit vum Stärekoup lokaliséiert, wat d'elektresch Kapazitéit tëscht dem Tipp an dem Stärekoup manner gemaach huet wéi déi tëscht dem Stärekoup an dem Au(111) Substrat.
Als nächst hu mir Berechnunge vun HL-Rupture vu fräie Au20 Stärekéip gemaach an déi op 3L NaCl.
Grafik 2C weist d'simuléiert Dicht vun Staatskurve fir e Gasphase Au20 Tetrahedron deem säin HL Spalt 1.78 eV ass. Wann de Stärekoup op 3L NaCl/Au(111) läit, vergréissert d'Verzerrungen an d'HL Spalt fällt vun 1.73 op 1.51 eV, wat vergläichbar ass mat der HL Spalt vun 2.0 eV, déi während experimentellen Miessunge kritt gëtt.
A fréiere Studien gouf festgestallt datt Au20 Isomere mat enger Cs-symmetrescher Struktur en HL Spalt vun ongeféier 0.688 eV hunn, a Strukture mat amorpher Symmetrie - 0.93 eV. Wann Dir dës Beobachtungen an d'Resultater vun de Miessunge berücksichtegt, sinn d'Wëssenschaftler zu der Conclusioun komm datt e grousse Bandspalt nëmme méiglech ass ënner de Bedingunge vun enger tetrahedraler Pyramidstruktur.
Déi nächst Etapp vun der Fuerschung war d'Studie vu Cluster-Cluster Interaktiounen, fir déi méi Au3 (erhéicht Dicht) op den 111L NaCl / Au (20) Substrat deposéiert gouf.
Bild #3
Am Bild 3A eng topographesch STM Bild vun deposéiert Stärekéip gëtt gewisen. Ongeféier 100 Stärekéip ginn am Scannerberäich observéiert (100 nm x 30 nm). D'Gréisste vun interagéierende Stärekéip op 3L NaCl sinn entweder méi grouss wéi oder gläich wéi d'Gréisste vun deenen, déi an Experimenter mat eenzelne Stärekéip studéiert goufen. Dëst kann erkläert ginn duerch Diffusioun an Agglomeratioun (Klumpen) op der Uewerfläch vum NaCl bei Raumtemperatur.
D'Akkumulation an de Wuesstum vu Cluster kënnen duerch zwee Mechanismen erkläert ginn: Ostwald Reife (Rekondensatioun) a Smoluchowski Reife (Erweiderung vun Inselen). Am Fall vun Ostwald Reife wuessen gréisser Cluster op Käschte vu méi kleng, wann Atomer vun der leschter vun hinnen getrennt sinn an an d'Nopeschliewe diffusen. Beim Smoluchowski Reife gi méi grouss Partikelen als Resultat vun der Migratioun an der Agglomeratioun vu ganze Cluster geformt. Eng Zort Reifung kann vun engem aneren ënnerscheeden wéi follegt: mat Ostwald Reifung erweidert d'Verdeelung vu Clustergréissten a kontinuéierlech, a mat Smoluchowski Reife gëtt d'Gréisst diskret verdeelt.
Op den Charts 3B и 3С d'Resultater vun der Analyse vu méi wéi 300 Stärekéip ginn gewisen, d.h. Gréisst Verdeelung. D'Gamme vu beobachtete Stärekoup Héichten ass zimmlech breet, awer dräi Gruppe vun den heefegsten kënnen z'ënnerscheeden (3С): 0.85, 1.10 an 1.33 nm.
Wéi kann an der Grafik gesi ginn 3B, gëtt et eng Korrelatioun tëscht dem Wäert vun der Héicht an der Breet vum Stärekoup. Déi observéiert Stärekoupstrukture weisen Feature vun der Smoluchowski Reifung.
Et gëtt och eng Korrelatioun tëscht de Stärekéip an den Experimenter mat héijer an niddreger Oflagerungsdicht. Sou ass eng Grupp vu Stärekéip mat enger Héicht vun 0.85 nm konsequent mat engem eenzelne Stärekoup mat enger Héicht vun 0.88 nm bei Experimenter mat niddereger Dicht. Dofir goufen Cluster aus der éischter Grupp de Wäert Au20 zougewisen, a Cluster vun der zweeter (1.10 nm) an drëtter (1.33 nm) goufen d'Wäerter Au40 an Au60 respektiv zougewisen.
Bild #4
Am Bild 4A mir kënne visuell Differenzen tëscht den dräi Kategorien vu Stärekéip gesinn, déi dI/dV Spektre vun deenen an der Grafik ugewise sinn 4B.
Wéi Au20 Stärekéip an e gréisseren Energielück am Spektrum fusionéieren, geet dI/dV erof. Also, fir all Grupp goufen déi folgend Diskontinuitéitswäerter kritt: Au20—3.0 eV, Au40—2.0 eV, an Au60—1.2 eV. Wann Dir dës Donnéeën berücksichtegt, wéi och topographesch Biller vun de studéierte Gruppen, kann et argumentéiert ginn datt d'Geometrie vu Stärekéipagglomeraten méi no kugelfërmeg oder hemisphäresch ass.
Fir d'Zuel vun den Atomer a sphäreschen an hemisphäresche Stärekéip ze schätzen, kënnt Dir Ns = [(h/2)/r]3 an Nh = 1/2 (h/r)3 benotzen, wou h и r representéieren de Stärekoup Héicht a Radius vun engem Au Atom. Wann Dir de Wigner-Seitz Radius fir de Goldatom berücksichtegt (r = 0.159 nm), kënne mir hir Zuel fir d'Sphäresch Approximatioun berechnen: déi zweet Grupp (Au40) - 41 Atomer, déi drëtt Grupp (Au60) - 68 Atomer. An der hemispherescher Approximatioun ass d'geschätzte Unzuel vun den Atomer 166 an 273 wesentlech méi héich wéi bei Au40 an Au60 an der Kugelapproximatioun. Dofir kann et ofgeschloss ginn datt d'Geometrie vun Au40 an Au60 kugelfërmeg ass anstatt hemisphäresch.
Fir e méi detailléierte Bléck op d'Nuancen vun der Studie, ech recommandéieren e Bléck op и fir hien.
Epilogue
An dëser Etude hunn d'Wëssenschaftler d'Scannen-Tunnel-Spektroskopie a Mikroskopie kombinéiert, wat hinnen erlaabt méi genee Daten iwwer d'Geometrie vu Stärekéip vu Goldatome ze kréien. Et gouf fonnt datt den Au20 Stärekoup op engem 3L NaCl / Au (111) Substrat deposéiert ass seng Gasphase pyramidal Struktur mat enger grousser HL Spalt behält. Et gouf och fonnt datt den Haaptmechanismus vum Wuesstum an Associatioun vu Stärekéip a Gruppen Smoluchowski Reifung ass.
Wëssenschaftler nennen eng vun den Haaptleeschtunge vun hirer Aarbecht net sou vill d'Resultater vun der Fuerschung iwwer atomare Stärekéip, mä éischter d'Method fir dës Fuerschung ze maachen. Virdrun gouf e Transmissiounsscanning-Elektronenmikroskop benotzt, deen duerch seng Eegeschaften d'Resultater vun Observatioune verzerrt huet. Wéi och ëmmer, déi nei Method, déi an dësem Wierk beschriwwe gëtt, erlaabt eis genee Daten ze kréien.
Ënner anerem d'Studie vu Clusterstrukturen erlaabt eis hir katalytesch an optesch Eegeschaften ze verstoen, wat extrem wichteg ass fir hir Notzung an Cluster-Katalysatoren an opteschen Apparater. De Moment gi Cluster scho a Brennstoffzellen a Kuelestofffangung benotzt. Wéi och ëmmer, laut de Wëssenschaftler selwer ass dëst net d'Limite.
Merci fir d'Liesen, bleift virwëtzeg an hunn eng super Woch Kärelen. 🙂
Puer Annoncen 🙂
Merci datt Dir bei eis bleift. Hutt Dir eis Artikelen gär? Wëllt Dir méi interessant Inhalt gesinn? Ënnerstëtzt eis andeems Dir eng Bestellung maacht oder Frënn empfeelt, , en eenzegaartegen Analog vun Entry-Level Serveren, dee vun eis fir Iech erfonnt gouf: (verfügbar mat RAID1 an RAID10, bis zu 24 Kären a bis zu 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 Mol méi bëlleg an Equinix Tier IV Daten Zentrum zu Amsterdam? Nëmmen hei an Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vun $99! Liest iwwer
Source: will.com