Visi žino, kad vanduo būna trijų agregacijos būsenų. Uždedame virdulį, o vanduo pradeda virti ir garuoti, iš skysto virsdamas dujiniu. Dedame į šaldiklį ir jis pradeda virsti ledu, tokiu būdu iš skystos į kietą būseną. Tačiau tam tikromis aplinkybėmis ore esantys vandens garai gali iš karto patekti į kietąją fazę, aplenkdami skystąją fazę. Šį procesą žinome iš jo rezultato – gražių raštų ant langų šaltą žiemos dieną. Automobilių entuziastai, gramdydami ledo sluoksnį nuo priekinio stiklo, šį procesą dažnai apibūdina ne itin moksliškais, bet labai emocingais ir ryškiais epitetais. Vienaip ar kitaip, dvimačio ledo susidarymo detalės ilgus metus buvo gaubtos paslaptyje. Ir neseniai tarptautinei mokslininkų grupei pirmą kartą pavyko vizualizuoti dvimačio ledo atominę struktūrą jo formavimosi metu. Kokios paslaptys slypi šiame, atrodytų, paprastame fiziniame procese, kaip mokslininkams pavyko jas atskleisti ir kuo jų išvados naudingos? Apie tai mums papasakos tyrimo grupės ataskaita. Eik.
Tyrimo pagrindas
Jei perdedame, tai praktiškai visi mus supantys objektai yra trimačiai. Tačiau kai kuriuos iš jų apsvarstysime atidžiau, galime rasti ir dvimačius. Puikus to pavyzdys yra ledo pluta, kuri susidaro ant kažko paviršiaus. Tokių struktūrų egzistavimas mokslo bendruomenei nėra paslaptis, nes jos ne kartą buvo analizuojamos. Tačiau problema ta, kad gana sunku vizualizuoti metastabilias arba tarpines struktūras, dalyvaujančias formuojant 2D ledą. Taip yra dėl banalių problemų – tiriamų konstrukcijų trapumo ir trapumo.
Laimei, šiuolaikiniai skenavimo metodai leidžia analizuoti mėginius su minimaliu poveikiu, o tai leidžia gauti maksimalius duomenis per trumpą laiką, dėl minėtų priežasčių. Šiame tyrime mokslininkai naudojo nekontaktinę atominės jėgos mikroskopiją, kai mikroskopo adatos galas buvo padengtas anglies monoksidu (CO). Šių nuskaitymo įrankių derinys leidžia realiuoju laiku gauti dvimačio dvisluoksnio šešiakampio ledo, išauginto ant aukso (Au) paviršiaus, kraštinių struktūrų vaizdus.
Mikroskopija parodė, kad formuojant dvimatį ledą jo struktūroje vienu metu egzistuoja dviejų tipų briaunos (segmentai, jungiantys dvi daugiakampio viršūnes): zigzaginiai (zigzagas) ir kėdės formos (fotelis).
Fotelio (kairėje) ir zigzago (dešinėje) kraštai, kaip pavyzdį naudojant grafeną.
Šiame etape mėginiai buvo greitai užšaldyti, todėl buvo galima išsamiai ištirti atominę struktūrą. Taip pat buvo atliktas modeliavimas, kurio rezultatai iš esmės sutapo su stebėjimo rezultatais.
Nustatyta, kad zigzago briaunų susidarymo atveju prie esamos briaunos pridedama papildoma vandens molekulė, o visas procesas reguliuojamas tiltelio mechanizmo. Tačiau formuojant fotelio šonkaulius papildomų molekulių nebuvo aptikta, o tai stipriai prieštarauja tradicinėms idėjoms apie dviejų sluoksnių šešiakampio ledo ir dvimačių šešiakampių medžiagų augimą apskritai.
Kodėl mokslininkai savo stebėjimams pasirinko nekontaktinį atominės jėgos mikroskopą, o ne skenuojantį tunelinį mikroskopą (STM) ar perdavimo elektroninį mikroskopą (TEM)? Kaip jau žinome, pasirinkimas yra susijęs su sunkumais tiriant trumpalaikes ir trapias dvimačio ledo struktūras. STM anksčiau buvo naudojamas 2D ledams, auginamiems ant įvairių paviršių, tirti, tačiau tokio tipo mikroskopas nėra jautrus branduolių padėčiai, o jo galas gali sukelti vaizdo klaidų. TEM, priešingai, puikiai parodo šonkaulių atominę struktūrą. Tačiau norint gauti aukštos kokybės vaizdus, reikia didelės energijos elektronų, kurie gali lengvai pakeisti ar net sunaikinti kovalentiškai sujungtų XNUMXD medžiagų briaunų struktūrą, jau nekalbant apie laisviau sujungtus XNUMXD ledo kraštus.
Atominės jėgos mikroskopas tokių trūkumų neturi, o CO dengtas antgalis leidžia tirti paviršinį vandenį su minimalia įtaka vandens molekulėms.
Tyrimo rezultatai
1 vaizdas
Dvimatis ledas buvo auginamas ant Au(111) paviršiaus maždaug 120 K temperatūroje, o jo storis buvo 2.5 Å (1).
STM ledo vaizdai (1c) ir atitinkamą greitojo Furjė transformacijos vaizdą (įterptą į 1) rodo gerai sutvarkytą šešiakampę struktūrą, kurios periodiškumas yra Au(111)-√3 x √3-30°. Nors STM vaizde matomas korinis H prijungtas 2D ledo tinklas, sunku nustatyti išsamią kraštinių struktūrų topologiją. Tuo pačiu metu AFM su tos pačios imties srities dažnio poslinkiu (Δf) davė geresnius vaizdus (1d), kuri leido vizualizuoti kėdės formos ir zigzago formos konstrukcijos dalis. Bendras abiejų variantų ilgis yra palyginamas, tačiau vidutinis pirmtako briaunos ilgis yra šiek tiek ilgesnis (1b). Zigzaginiai šonkauliai gali užaugti iki 60 Å ilgio, tačiau kėdės formos formuojantis pasidengia defektais, todėl jų maksimalus ilgis sumažėja iki 10-30 Å.
Tada buvo atliktas sistemingas AFM vaizdavimas skirtinguose adatų aukščiuose (2).
2 vaizdas
Esant didžiausiam antgalio aukščiui, kai AFM signale dominuoja didesnės eilės elektrostatinė jėga, buvo identifikuoti du √3 x √3 subgardelių rinkiniai dvimačiame dvisluoksniame lede, iš kurių vienas parodytas 2 (kairėje).
Esant mažesniam adatos aukščiui, ryškūs šio pogrupio elementai pradeda rodyti kryptingumą, o kitas pogrupis virsta V formos elementu (2a, centre).
Esant minimaliam adatos aukščiui, AFM atskleidžia korio struktūrą su aiškiomis linijomis, jungiančiomis dvi subgardeles, primenančias H jungtis (2a, Dešinėje).
Tankio funkcinės teorijos skaičiavimai rodo, kad dvimatis ledas, išaugęs ant Au(111) paviršiaus, atitinka susipynusią dviejų sluoksnių ledo struktūrą (2-ieji), sudarytas iš dviejų plokščių šešiakampių vandens sluoksnių. Dviejų lakštų šešiakampiai yra konjuguoti, o kampas tarp vandens molekulių plokštumoje yra 120°.
Kiekviename vandens sluoksnyje pusė vandens molekulių yra horizontaliai (lygiagrečiai substratui), o kita pusė yra vertikaliai (statmenai substratui), o vienas O – H nukreiptas aukštyn arba žemyn. Viename sluoksnyje esantis vertikaliai esantis vanduo suteikia H jungtį su horizontaliu vandeniu kitame sluoksnyje, todėl susidaro visiškai prisotinta H formos struktūra.
AFM modeliavimas naudojant kvadrupolio (dz 2) antgalį (2b) remiantis pirmiau pateiktu modeliu, gerai sutampa su eksperimentiniais rezultatais (2a). Deja, dėl panašaus horizontalaus ir vertikalaus vandens aukščio jų identifikavimą STM vaizdavimo metu sunku. Tačiau naudojant atominės jėgos mikroskopiją, abiejų tipų vandens molekulės yra aiškiai atskiriamos (2a и 2b dešinėje), nes aukštesnės eilės elektrostatinė jėga yra labai jautri vandens molekulių orientacijai.
Taip pat buvo galima toliau nustatyti horizontalaus ir vertikalaus vandens OH kryptį per aukštesnės eilės elektrostatinių jėgų ir Pauli atstumiamųjų jėgų sąveiką, kaip rodo raudonos linijos 2 и 2b (centras).
3 vaizdas
Vaizduose 3 и 3b (1 etapas) rodo atitinkamai padidintus zigzago ir fotelio pelekų AFM vaizdus. Nustatyta, kad zigzago briauna auga išlaikant savo pirminę struktūrą, o augant kėdės formos briaunai, kraštas atstatomas periodinėje 5756 žiedų struktūroje, t.y. kai šonkaulių struktūra periodiškai kartoja seką penkiakampis – septyniakampis – penkiakampis – šešiakampis.
Tankio funkcinės teorijos skaičiavimai rodo, kad nerekonstruotas zigzago pelekas ir 5756 kėdės pelekas yra stabiliausi. 5756 briauna susidaro dėl kombinuotų efektų, kurie sumažina nesočiųjų vandenilio jungčių skaičių ir sumažina deformacijos energiją.
Mokslininkai primena, kad šešiakampio ledo bazinės plokštumos dažniausiai baigiasi zigzago formos briaunomis, o kėdės formos briaunų nėra dėl didesnio nesočiųjų vandenilio jungčių tankio. Tačiau mažose sistemose arba ten, kur erdvė yra ribota, kėdžių pelekai gali sumažinti savo energiją tinkamai pertvarkant.
Kaip minėta anksčiau, kai ledo augimas 120 K temperatūroje buvo sustabdytas, mėginys buvo nedelsiant atšaldomas iki 5 K, kad būtų bandoma užšaldyti metastabilias arba pereinamojo krašto struktūras ir užtikrinti santykinai ilgą mėginio tarnavimo laiką detaliam tyrimui naudojant STM ir AFM. Taip pat buvo galima atkurti dvimačio ledo augimo procesą (vaizdas Nr. 3) dėl CO funkcionalizuoto mikroskopo antgalio, kuris leido aptikti metastabilias ir pereinančias struktūras.
Kalbant apie zigzaginius šonkaulius, kartais buvo rasta atskirų penkiakampių, pritvirtintų prie tiesių briaunų. Jie galėtų išsirikiuoti iš eilės, sudarydami masyvą, kurio periodiškumas būtų 2 x aice (aice yra dvimačio ledo gardelės konstanta). Šis stebėjimas gali reikšti, kad zigzago briaunų augimą inicijuoja periodinės penkiakampių masyvo susidarymas (3, 1–3 veiksmas), kuris apima dviejų vandens porų pridėjimą penkiakampiui (raudonos rodyklės).
Tada penkiakampių masyvas yra sujungtas, kad susidarytų tokia struktūra kaip 56665 (3, 4 etapas), tada atkuria pradinę zigzago išvaizdą, pridedant daugiau vandens garų.
Su kėdės formos briaunomis situacija yra priešinga - nėra penkiakampių masyvų, o vietoj jų gana dažnai pastebimi trumpi tarpai, tokie kaip 5656. 5656 peleko ilgis yra žymiai trumpesnis nei 5756. Galbūt taip yra todėl, kad 5656 pelekas yra labai įtemptas ir mažiau stabilus nei 5756. Pradedant nuo 5756 kėdės peleko, 575 žiedai vietoje paverčiami 656 žiedais, pridedant du vandens garai (3b, 2 etapas). Toliau 656 žiedai auga skersine kryptimi, sudarydami 5656 tipo kraštą (3b, 3 etapas), bet riboto ilgio dėl deformacijos energijos kaupimosi.
Jei prie 5656 peleko šešiakampio pridedama viena vandens pora, deformacija gali iš dalies susilpnėti, o tai vėl sukels 5756 peleko susidarymą (3b, 4 etapas).
Aukščiau pateikti rezultatai yra labai orientaciniai, tačiau buvo nuspręsta juos paremti papildomais duomenimis, gautais iš Au (111) paviršiaus vandens garų molekulinės dinamikos skaičiavimų.
Buvo nustatyta, kad XNUMXD dvisluoksnės ledo salos sėkmingai ir netrukdomos susiformavo paviršiuje, o tai atitinka mūsų eksperimentinius stebėjimus.
4 vaizdas
Vaizde 4 Žingsnis po žingsnio parodytas kolektyvinio tiltų ant zigzago šonkaulių formavimo mechanizmas.
Žemiau pateikiama žiniasklaidos medžiaga apie šį tyrimą su aprašymu.
Žiniasklaidos medžiaga Nr.1
Verta paminėti, kad vienas penkiakampis, pritvirtintas prie zigzago krašto, negali veikti kaip vietinis branduolių susidarymo centras, skatinantis augimą.
Žiniasklaidos medžiaga Nr.2
Vietoje to zigzago krašte iš pradžių susidaro periodiškas, bet nesusijęs penkiakampių tinklas, o vėliau įeinančios vandens molekulės kolektyviai bando sujungti šiuos penkiakampius, todėl susidaro 565 tipo grandinių struktūra. Deja, tokios struktūros nepastebėta. praktinių stebėjimų metu, o tai paaiškina itin trumpą jo tarnavimo laiką.
Žiniasklaidos medžiaga Nr.3 ir Nr.4
Pridėjus vieną vandens porą, sujungiama 565 tipo konstrukcija ir gretimas penkiakampis, todėl susidaro 5666 tipo struktūra.
5666 tipo struktūra auga į šonus, sudarydama 56665 tipo struktūrą ir galiausiai išsivysto į visiškai sujungtą šešiakampę gardelę.
Žiniasklaidos medžiaga Nr.5 ir Nr.6
Vaizde 4b augimas rodomas fotelio briaunelės atveju. Konvertavimas iš 575 tipo žiedų į 656 tipo žiedus prasideda nuo apatinio sluoksnio, suformuojant sudėtinę 575/656 struktūrą, kurios eksperimentuose negalima atskirti nuo 5756 tipo pelekų, nes galima pavaizduoti tik viršutinį dviejų sluoksnių ledo sluoksnį. eksperimentų metu.
Žiniasklaidos medžiaga Nr.7
Gautas tiltas 656 tampa 5656 šonkaulio augimo branduolio centru.
Žiniasklaidos medžiaga Nr.8
Pridėjus vieną vandens molekulę prie 5656 krašto susidaro labai judri nesuporuota molekulės struktūra.
Žiniasklaidos medžiaga Nr.9
Dvi iš šių nesuporuotų vandens molekulių vėliau gali susijungti į stabilesnę septyniakampę struktūrą, užbaigdamos konversiją iš 5656 į 5756.
Išsamiau susipažinti su tyrimo niuansais rekomenduoju pažiūrėti .
Epilogas
Pagrindinė šio tyrimo išvada yra ta, kad stebimas struktūrų elgesys augimo metu gali būti būdingas visų tipų dvimačiam ledui. Dvisluoksnis šešiakampis ledas susidaro ant įvairių hidrofobinių paviršių ir hidrofobinio uždarymo sąlygomis, todėl gali būti laikomas atskiru 2D kristalu (2D ledas I), kurio susidarymas yra nejautrus pagrindinei substrato struktūrai.
Mokslininkai nuoširdžiai sako, kad jų vaizdo gavimo technika dar netinka darbui su trimačiu ledu, tačiau dvimačio ledo tyrimo rezultatai gali būti pagrindas paaiškinti jo tūrinio giminaičio formavimosi procesą. Kitaip tariant, suprasti, kaip susidaro dvimatės struktūros, yra svarbus trimačių struktūrų tyrimo pagrindas. Būtent šiuo tikslu mokslininkai planuoja ateityje tobulinti savo metodą.
Ačiū, kad skaitėte, būkite smalsūs ir geros savaitės, vaikinai. 🙂
Kai kurie skelbimai 🙂
Dėkojame, kad likote su mumis. Ar jums patinka mūsų straipsniai? Norite pamatyti įdomesnio turinio? Palaikykite mus pateikdami užsakymą ar rekomenduodami draugams, , unikalus pradinio lygio serverių analogas, kurį mes sugalvojome jums: (galima su RAID1 ir RAID10, iki 24 branduolių ir iki 40 GB DDR4).
„Dell R730xd“ 2 kartus pigiau „Equinix Tier IV“ duomenų centre Amsterdame? Tik čia Olandijoje! „Dell R420“ – 2 x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB – nuo 99 USD! Skaityti apie
Šaltinis: www.habr.com