Jidderee weess datt Waasser an dräi Aggregatiounszoustand geschitt. Mir setzen de Kettel op, an d'Waasser fänkt un ze kachen an ze verdampen, vu flësseg op gasfërmeg. Mir setzen et an de Frigo, an et fänkt un an Äis ze ginn, an doduerch vun enger Flëssegkeet an e festen Zoustand. Wéi och ëmmer, ënner bestëmmten Ëmstänn, Waasserdamp, déi an der Loft präsent ass, kann direkt an d'fest Phase passéieren, an d'Flëssegphase ëmgoen. Mir kennen dëse Prozess duerch säi Resultat - schéi Muster op de Fënsteren op engem frostege Wanterdag. Autobegeeschterten, wann se eng Schicht vun Äis aus der Windschutzschei schrauwen, charakteriséieren dëse Prozess dacks net ganz wëssenschaftlech, awer ganz emotional a lieweg Epithet. Eng Manéier oder aner, d'Detailer vun der Bildung vun zwee-zweedimensional Äis goufen am Geheimnis fir vill Joren zougemaach. A viru kuerzem, fir d'éischte Kéier, konnt eng international Team vu Wëssenschaftler d'Atomstruktur vun zweedimensionalen Äis während senger Formation visualiséieren. Wéi eng Geheimnisser sinn an dësem anscheinend einfache kierperleche Prozess verstoppt, wéi hunn d'Wëssenschaftler et fäerdeg bruecht se z'entdecken, a wéi sinn hir Erkenntnisser nëtzlech? De Bericht vun der Fuerschungsgrupp wäert eis doriwwer soen. Gitt.
Basis vun der Etude
Wa mir iwwerdreiwen, da sinn quasi all Objete ronderëm eis dreidimensional. Wéi och ëmmer, wa mir e puer vun hinnen méi virsiichteg betruechten, kënne mir och zweedimensional fannen. Eng Äiskrust déi op der Uewerfläch vun eppes formt ass e prime Beispill vun dësem. D'Existenz vun esou Strukturen ass net e Geheimnis fir d'wëssenschaftlech Gemeinschaft, well se vill Mol analyséiert goufen. Awer de Problem ass datt et zimmlech schwéier ass metastabile oder mëttlere Strukturen ze visualiséieren déi an der Bildung vun 2D Äis involvéiert sinn. Dëst ass wéinst banale Probleemer - d'Zerbriechlechkeet an d'Zerbriechlechkeet vun de Strukturen déi studéiert ginn.
Glécklecherweis, modern Scannen Methoden erlaben Echantillon mat minimalen Impakt analyséiert ginn, déi maximal Daten erlaabt an enger kuerzer Zäit ze kréien, wéinst der uewen Grënn. An dëser Etude hunn d'Wëssenschaftler net-kontakt Atomkraaftmikroskopie benotzt, mat der Spëtzt vun der Mikroskopnadel mat Kuelemonoxid (CO) beschichtet. D'Kombinatioun vun dëse Scanner-Tools mécht et méiglech Echtzäitbilder vun de Randstrukture vun zweedimensionalen bilayer sechseckegen Äis ze kréien, deen op enger Gold (Au) Uewerfläch gewuess ass.
Mikroskopie huet gewisen datt während der Bildung vun zweedimensionalen Äis zwou Aarte vu Kanten (Segmenter déi zwee Wirbelen vun engem Polygon verbannen) gläichzäiteg a senger Struktur coexistéieren: Zickzack (zigzack) a Stullfërmeg (Fotell).
Fotell (lénks) a Zickzack (riets) Kanten mat Graphen als Beispill.
Op dëser Etapp goufen d'Proben séier gefruer, sou datt d'Atomstruktur am Detail ënnersicht gouf. Modelléierung gouf och duerchgefouert, d'Resultater vun deenen haaptsächlech mat den Observatiounsresultater zesummegefall sinn.
Et gouf festgestallt datt am Fall vun der Bildung vu Zickzack Rippen eng zousätzlech Waassermolekül op déi existent Rand bäigefüügt gëtt, an de ganze Prozess gëtt vum Bréckmechanismus geregelt. Awer am Fall vun der Bildung vu Fotell-Rippen goufen keng zousätzlech Moleküle festgestallt, wat staark kontrastéiert mat traditionellen Iddien iwwer de Wuesstum vun zweeschichteg sechseckegen Äis an zweedimensional sechseckeg Substanzen am Allgemengen.
Firwat hunn d'Wëssenschaftler en net-kontakten Atomkraaftmikroskop fir hir Observatioune gewielt anstatt e Scannentunnelmikroskop (STM) oder Transmissiounselektronenmikroskop (TEM)? Wéi mir scho wëssen, ass d'Wiel mat der Schwieregkeet verbonnen fir déi kuerzlieweg a fragil Strukturen vun zweedimensionalen Äis ze studéieren. STM gouf virdru benotzt fir 2D Äis ze studéieren, déi op verschiddene Flächen gewuess sinn, awer dës Zort Mikroskop ass net empfindlech op d'Positioun vun de Käre, a säin Tipp kann Bildfehler verursaachen. TEM, am Géigendeel, weist perfekt d'atomar Struktur vun de Rippen. Wéi och ëmmer, qualitativ héichwäerteg Biller ze kréien erfuerdert héich-Energie-Elektronen, déi d'Randstruktur vu kovalent gebonnen XNUMXD-Materialien einfach änneren oder souguer zerstéieren, fir net déi méi locker gebonnen Kanten am XNUMXD Äis ze ernimmen.
En Atomkraaftmikroskop huet net sou Nodeeler, an e CO-beschichtete Tipp erlaabt d'Studie vum Interface Waasser mat minimalem Afloss op Waassermoleküle.
Fuerschungsresultater
Bild #1
Zweedimensional Äis gouf op der Au(111) Uewerfläch bei enger Temperatur vu ronn 120 K ugebaut, a seng Dicke war 2.5 Å (1).
STM Biller vum Äis (1c) an dat entspriechend séier Fourier-Transformatiounsbild (inset an 1) weisen eng gutt bestallt sechseckeg Struktur mat enger Periodizitéit vun Au(111)-√3 x √3-30°. Och wann de celluläre H-verbonne Netzwierk vun 2D Äis am STM Bild sichtbar ass, ass déi detailléiert Topologie vun de Randstrukturen schwéier ze bestëmmen. Zur selwechter Zäit huet AFM mat enger Frequenzverschiebung (Δf) vum selwechte Probegebitt besser Biller ginn (1d), wat et méiglech gemaach huet, Stullfërmeg a Zickzack Sektiounen vun der Struktur ze visualiséieren. D'Gesamtlängt vu béide Varianten ass vergläichbar, awer d'Duerchschnëttslängt vun der Virgänger Ripp ass liicht méi laang (1b). Zigzag Rippen kënne bis zu 60 Å an der Längt wuessen, awer Stullfërmeg ginn während der Formation mat Defekte bedeckt, wat hir maximal Längt op 10-30 Å reduzéiert.
Als nächst gouf systematesch AFM Imaging op verschidden Nadelhéichten duerchgefouert (2).
Bild #2
Op der héchster Tipp Héicht, wann den AFM Signal vun méi héijer Uerdnung elektrostatescher Kraaft dominéiert ass, goufen zwee Sätz vun √3 x √3 Sublattices an zweedimensionalen Bilayer Äis identifizéiert, vun deenen een an 2 (lénks).
Bei méi nidderegen Nadelhöhe fänken déi helle Elementer vun dësem Subarray un Directionalitéit ze weisen, an déi aner Subarray gëtt an e V-fërmegt Element (2a, zentréiert).
Op der minimaler Nadelhéicht weist AFM eng Hunnegstruktur mat kloere Linnen, déi zwee Sublattices verbannen, erënnert un H-Obligatiounen (2a, riets).
D'Dicht funktionell Theorie Berechnungen weisen datt zweedimensional Äis op der Au(111) Uewerfläch ugebaut entsprécht enger interlockéierender zwee-Schicht Äisstruktur (2c), besteet aus zwee flaach sechseckegen Schichten Waasser. D'Hexagonen vun deenen zwee Blieder si konjugéiert, an de Wénkel tëscht de Waassermoleküle am Fliger ass 120°.
An all Schicht Waasser leien d'Halschent vun de Waassermoleküle horizontal (parallel zum Substrat) an déi aner Halschent leien vertikal (senkrecht zum Substrat), mat engem O–H op oder no ënnen. Vertikal leien Waasser an enger Schicht spenden en H-Bindung un horizontale Waasser an enger anerer Schicht, wat zu enger voll gesättigter H-förmlecher Struktur resultéiert.
AFM Simulatioun mat engem Quadrupol (dz 2) Tipp (2b) baséiert op dem uewe genannte Modell ass am gudden Accord mat experimentellen Resultater (2a). Leider maachen déi ähnlech Héichten vum horizontalen a vertikale Waasser hir Identifikatioun schwéier während STM Imaging. Wéi och ëmmer, wann Dir Atomkraaftmikroskopie benotzt, sinn d'Moleküle vu béide Waasseraarte kloer z'ënnerscheeden (2a и 2b richteg) well déi méi héich Uerdnung elektrostatesch Kraaft ganz empfindlech ass fir d'Orientéierung vu Waassermoleküle.
Et war och méiglech d'OH-Directionalitéit vum horizontalen a vertikale Waasser weider ze bestëmmen duerch d'Interaktioun tëscht méi héijer Uerdnung elektrostatesche Kräften a Pauli Repulsive Kräften, wéi déi rout Linnen an 2 и 2b (Zentrum).
Bild #3
An de Biller 3 и 3b (Etapp 1) weist vergréissert AFM Biller vun Zickzack an Fotell Fins, respektiv. Et gouf festgestallt datt d'Zickzackkante wächst wärend seng ursprénglech Struktur behalen, a mam Wuesstum vun der Stullfërmeg Rand gëtt de Rand an der periodesch Struktur vun 5756 Réng restauréiert, d.h. wann d'Struktur vun de Rippen periodesch widderhëlt d'Sequenz Pentagon - Heptagon - Pentagon - Hexagon.
D'Dicht funktionell Theorie Berechnungen weisen datt déi onrekonstruéiert Zickzack Fin an d'5756 Stullfin déi stabil sinn. De 5756 Rand gëtt als Resultat vu kombinéierten Effekter geformt, déi d'Zuel vun onsaturéierte Waasserstoffbindungen miniméieren an d'Belaaschtungsenergie reduzéieren.
D'Wëssenschaftler erënneren datt d'Basalfläche vum sechseckegen Äis normalerweis a Zickzack Rippen ophalen, a Stullfërmeg Rippen feelen wéinst der méi héijer Dicht vun onsaturéierte Waasserstoffbindungen. Wéi och ëmmer, a klenge Systemer oder wou Plaz limitéiert ass, kënnen Stullfinnen hir Energie duerch e richtegen Neidesign reduzéieren.
Wéi virdru scho gesot, wann Äiswachstum bei 120 K gestoppt gouf, gouf d'Probe direkt op 5 K ofgekillt fir ze probéieren metastabile oder Iwwergangsrandstrukturen ze afréieren an e relativ laange Probeliewen fir detailléiert Studie mat STM an AFM ze garantéieren. Et war och méiglech, de Wuesstumsprozess vun zweedimensionalen Äis (Bild Nr. 3) ze rekonstruéieren dank dem CO-funktionaliséierte Mikroskopspëtz, deen et méiglech gemaach huet, metastabile an Iwwergangsstrukturen z'entdecken.
Am Fall vun Zickzack Rippen, goufen eenzel Pentagonen heiansdo un de riichte Rippen befestegt fonnt. Si kéinten an enger Zeil opriichten, eng Array mat enger Periodizitéit vun 2 x bilden ais (ais ass d'Gitterkonstant vun zweedimensionalen Äis). Dës Observatioun kann uginn datt de Wuesstum vun Zickzack Kanten duerch d'Bildung vun enger periodesch Array vu Pentagons initiéiert gëtt (3, Schrëtt 1-3), wat involvéiert zwee Waasserpaar fir de Pentagon (roude Pfeile) ze addéieren.
Als nächst ass d'Array vu Pentagons verbonne fir eng Struktur ze bilden wéi 56665 (3, Etapp 4), a restauréiert dann d'Original Zickzack Erscheinung andeems Dir méi Waasserdamp bäidréit.
Mat stullfërmege Kanten ass d'Situatioun de Géigendeel - et gi keng Arrays vu Pentagonen, awer amplaz kuerz Lücken wéi 5656 um Rand ginn zimlech dacks observéiert. D'Längt vun der 5656 Fin ass wesentlech méi kuerz wéi déi vum 5756. Dëst ass méiglecherweis well d'5656 Fin héich belaascht ass a manner stabil ass wéi de 5756. Vun der 5756 Stullfinn un, ginn 575 Réng lokal op 656 Réng ëmgewandelt andeems zwee derbäigesat ginn. Waasserdamp (3b, Etapp 2). Als nächst wuessen d'656 Réng an der transversaler Richtung, a bilden e Rand vum 5656 Typ (3b, Etapp 3), awer mat enger limitéierter Längt wéinst der Akkumulation vun der Verformungsenergie.
Wann ee Waasserpaar zum Hexagon vun enger 5656 Fin bäigefüügt gëtt, kann d'Verformung deelweis geschwächt ginn, an dëst féiert erëm zu der Bildung vun enger 5756 Fin (3bEtapp 4).
Déi uewe genannte Resultater si ganz indikativ, awer et gouf decidéiert se mat zousätzlechen Donnéeën ze ënnerstëtzen, déi aus molekulare Dynamik-Berechnunge vu Waasserdamp op der Au (111) Uewerfläch kritt goufen.
Et gouf fonnt datt 2D Duebelschicht Äisinselen erfollegräich an onhindert op der Uewerfläch geformt hunn, wat konsequent mat eisen experimentellen Observatiounen ass.
Bild #4
Am Bild 4 De Mechanismus vun der kollektiver Bildung vu Brécke op Zickzack Rippen gëtt Schrëtt fir Schrëtt gewisen.
Drënner sinn Medienmaterialien iwwer dës Studie mat enger Beschreiwung.
Medienmaterial Nr 1
Et ass derwäert ze bemierken datt en eenzege Pentagon, deen un engem Zickzack verbonnen ass, net als lokal Nukleatiounszentrum handele kann fir de Wuesstum ze förderen.
Medienmaterial Nr 2
Amplaz entsteet e periodesch awer net verbonne Netz vu Pentagonen ufanks um Zickzackrand, a spéider erakommen Waassermoleküle versichen kollektiv dës Pentagonen ze verbannen, wat zu der Bildung vun enger 565-Typ Kettestruktur resultéiert. Leider ass sou eng Struktur net während der Zäit observéiert ginn. praktesch Observatioune, wat seng extrem kuerz Liewensdauer erkläert.
Medienmaterial Nummer 3 an Nummer 4
D'Zousätzlech vun engem Waasserpaar verbënnt d'565-Typstruktur an den ugrenzende Pentagon, wat zu der Bildung vun der 5666-Typ Struktur resultéiert.
D'5666-Typ Struktur wächst lateral fir d'56665-Typ Struktur ze bilden an entwéckelt sech schlussendlech zu engem voll verbonnen sechseckegen Gitter.
Medienmaterial Nummer 5 an Nummer 6
Am Bild 4b Wuesstem gëtt am Fall vun enger Fotell Ripp gewisen. D'Konversioun vun Typ 575 Réng op Typ 656 Réng fänkt vun der ënneschter Schicht un, a bildt eng Komposit 575/656 Struktur, déi net vun engem Typ 5756 Fin an den Experimenter z'ënnerscheeden ass, well nëmmen déi iewescht Schicht vum Zwee-Schichten Äis ka gebild ginn. während den Experimenter.
Medienmaterial Nr 7
Déi entstinn Bréck 656 gëtt den Nukleatiounszentrum fir de Wuesstum vun der 5656 Ripp.
Medienmaterial Nr 8
Ee Waassermolekül op eng 5656 Rand bäizefügen resultéiert zu enger héich mobiler onpaarter Molekülstruktur.
Medienmaterial Nr 9
Zwee vun dësen onpaarte Waassermoleküle kënnen sech duerno an eng méi stabil heptagonal Struktur kombinéieren, déi d'Konversioun vu 5656 op 5756 ofgeschloss huet.
Fir e méi detailléierte Verständnis vun den Nuancen vun der Studie, ech recommandéieren e Bléck op .
Epilogue
D'Haaptrei Conclusioun vun dëser Etude ass, datt d'observéiert Verhalen vun Strukturen während Wuesstem gemeinsam fir all Zorte vun zwee-zweedimensional Äis kann. Bilayer sechseckegen Äis formt op verschiddene hydrophobe Flächen an ënner hydrophobe Begrenzungsbedéngungen, an dofir kann als separat 2D Kristall (2D Äis I) ugesi ginn, d'Bildung vun deem ass onsensibel géint d'Basisstruktur vum Substrat.
Wëssenschaftler soen éierlech datt hir Imaging Technik nach net gëeegent ass fir mat dreidimensionalen Äis ze schaffen, awer d'Resultater vun der Studie vun zweedimensionalen Äis kënnen als Basis déngen fir de Bildungsprozess vu sengem volumetresche Relativ z'erklären. An anere Wierder, ze verstoen wéi zweedimensional Strukturen bilden ass e wichtege Fundament fir dräidimensional ze studéieren. Et ass fir dësen Zweck datt d'Fuerscher plangen hir Methodik an Zukunft ze verbesseren.
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