Ikviens zina, ka Å«dens notiek trÄ«s agregÄcijas stÄvokļos. MÄs uzliekam tÄjkannu, un Å«dens sÄk vÄrÄ«ties un iztvaikot, no Ŕķidruma pÄrvÄrÅ”oties gÄzveida. MÄs to ievietojam saldÄtavÄ, un tas sÄk pÄrvÄrsties ledÅ«, tÄdÄjÄdi pÄrejot no Ŕķidruma uz cietu stÄvokli. TomÄr noteiktos apstÄkļos gaisÄ esoÅ”ie Å«dens tvaiki var nekavÄjoties nonÄkt cietÄ fÄzÄ, apejot Ŕķidro fÄzi. Å o procesu mÄs zinÄm pÄc tÄ rezultÄta ā skaisti raksti uz logiem salnÄ ziemas dienÄ. Auto entuziasti, skrÄpÄjot ledus kÄrtu no vÄjstikla, nereti Å”o procesu raksturo, izmantojot ne pÄrÄk zinÄtniskus, bet ļoti emocionÄlus un spilgtus epitetus. TÄ vai citÄdi, divdimensiju ledus veidoÅ”anÄs detaļas ilgus gadus bija tÄ«tas noslÄpumÄ. Un nesen starptautiska zinÄtnieku komanda pirmo reizi spÄja vizualizÄt divdimensiju ledus atomu struktÅ«ru tÄ veidoÅ”anÄs laikÄ. KÄdi noslÄpumi slÄpjas Å”ajÄ Å”Ä·ietami vienkÄrÅ”ajÄ fiziskajÄ procesÄ, kÄ zinÄtniekiem izdevÄs tos atklÄt un kÄ viÅu atklÄjumi ir noderÄ«gi? Par to mums pastÄstÄ«s pÄtnieku grupas ziÅojums. Aiziet.
PÄtÄ«juma bÄze
Ja pÄrspÄ«lÄjam, tad praktiski visi objekti mums apkÄrt ir trÄ«sdimensionÄli. TaÄu, ja dažus no tiem apsveram rÅ«pÄ«gÄk, varam atrast arÄ« divdimensiju. Ledus garoza, kas veidojas uz kaut kÄ virsmas, ir lielisks piemÄrs tam. ZinÄtnieku aprindÄm Å”Ädu struktÅ«ru esamÄ«ba nav noslÄpums, jo tÄs ir daudzkÄrt analizÄtas. Bet problÄma ir tÄ, ka ir diezgan grÅ«ti vizualizÄt metastabilas vai starpposma struktÅ«ras, kas iesaistÄ«tas 2D ledus veidoÅ”anÄ. Tas ir saistÄ«ts ar banÄlÄm problÄmÄm - pÄtÄmo konstrukciju trauslumu un trauslumu.
Par laimi, mÅ«sdienu skenÄÅ”anas metodes ļauj analizÄt paraugus ar minimÄlu ietekmi, kas ļauj iegÅ«t maksimÄlos datus Ä«sÄ laika periodÄ iepriekÅ” minÄto iemeslu dÄļ. Å ajÄ pÄtÄ«jumÄ zinÄtnieki izmantoja bezkontakta atomu spÄka mikroskopiju ar mikroskopa adatas galu, kas pÄrklÄts ar oglekļa monoksÄ«du (CO). Å o skenÄÅ”anas rÄ«ku kombinÄcija ļauj iegÅ«t reÄllaika attÄlus no divdimensiju divslÄÅu seÅ”stÅ«ra ledus malu struktÅ«rÄm, kas audzÄtas uz zelta (Au) virsmas.
Mikroskopija ir parÄdÄ«jusi, ka divdimensiju ledus veidoÅ”anÄs laikÄ tÄ struktÅ«rÄ vienlaikus pastÄv divu veidu malas (segmenti, kas savieno divas daudzstÅ«ra virsotnes): zigzags (zigzags) un krÄsla formas (atzveltnes krÄsls).
Atzveltnes krÄsla (pa kreisi) un zigzaga (labÄs) malas, kÄ piemÄru izmantojot grafÄnu.
Å ajÄ posmÄ paraugi tika Ätri sasaldÄti, ļaujot detalizÄti izpÄtÄ«t atomu struktÅ«ru. Tika veikta arÄ« modelÄÅ”ana, kuras rezultÄti lielÄ mÄrÄ sakrita ar novÄrojumu rezultÄtiem.
KonstatÄts, ka zigzaga ribu veidoÅ”anÄs gadÄ«jumÄ esoÅ”ajai malai tiek pievienota papildu Å«dens molekula, un visu procesu regulÄ tiltu mehÄnisms. Bet krÄsla ribu veidoÅ”anÄs gadÄ«jumÄ netika konstatÄtas papildu molekulas, kas stipri kontrastÄ ar tradicionÄlajiem priekÅ”statiem par divslÄÅu seÅ”stÅ«ra ledus un divdimensiju seÅ”stÅ«ra vielu augÅ”anu kopumÄ.
KÄpÄc zinÄtnieki saviem novÄrojumiem izvÄlÄjÄs bezkontakta atomu spÄka mikroskopu, nevis skenÄjoÅ”o tunelÄÅ”anas mikroskopu (STM) vai transmisijas elektronu mikroskopu (TEM)? KÄ jau zinÄms, izvÄle ir saistÄ«ta ar grÅ«tÄ«bÄm pÄtÄ«t divdimensiju ledus Ä«slaicÄ«gÄs un trauslÄs struktÅ«ras. STM jau iepriekÅ” tika izmantots, lai pÄtÄ«tu 2D ledus, kas audzÄtas uz dažÄdÄm virsmÄm, taÄu Å”Äda veida mikroskops nav jutÄ«gs pret kodolu stÄvokli, un tÄ gals var izraisÄ«t attÄlveidoÅ”anas kļūdas. TEM, gluži pretÄji, lieliski parÄda ribu atomu struktÅ«ru. TomÄr augstas kvalitÄtes attÄlu iegÅ«Å”anai ir nepiecieÅ”ami augstas enerÄ£ijas elektroni, kas var viegli mainÄ«t vai pat iznÄ«cinÄt kovalenti saistÄ«tu XNUMXD materiÄlu malu struktÅ«ru, nemaz nerunÄjot par XNUMXD ledus vÄjÄk savienotajÄm malÄm.
Atomu spÄka mikroskopam Å”Ädu trÅ«kumu nav, un uzgalis ar CO pÄrklÄjumu ļauj pÄtÄ«t saskarnes Å«deni ar minimÄlu ietekmi uz Å«dens molekulÄm.
PÄtÄ«juma rezultÄti
1. attÄls
Divdimensiju ledus tika audzÄts uz Au(111) virsmas aptuveni 120 K temperatÅ«rÄ, un tÄ biezums bija 2.5 Ć (1Š°).
STM ledus attÄli (1c) un atbilstoÅ”ais ÄtrÄs FurjÄ transformÄcijas attÄls (ievietots 1Š°) parÄda labi sakÄrtotu seÅ”stÅ«ra struktÅ«ru ar periodiskumu Au(111)-ā3 x ā3-30Ā°. Lai gan STM attÄlÄ ir redzams ar Ŕūnu H savienotais 2D ledus tÄ«kls, ir grÅ«ti noteikt detalizÄtu malu struktÅ«ru topoloÄ£iju. TajÄ paÅ”Ä laikÄ AFM ar tÄ paÅ”a parauglaukuma frekvences nobÄ«di (Īf) sniedza labÄkus attÄlus (1d), kas ļÄva vizualizÄt krÄsla formas un zigzaga formas konstrukcijas posmus. Abu variantu kopÄjais garums ir salÄ«dzinÄms, bet priekÅ”gÄjÄja ribiÅas vidÄjais garums ir nedaudz garÄks (1b). Zigzaga ribas var izaugt lÄ«dz 60 Ć garumÄ, bet krÄslveida formas veidoÅ”anÄs laikÄ pÄrklÄjas ar defektiem, kas samazina to maksimÄlo garumu lÄ«dz 10-30 Ć .
PÄc tam tika veikta sistemÄtiska AFM attÄlveidoÅ”ana dažÄdos adatas augstumos (2Š°).
2. attÄls
AugstÄkajÄ gala augstumÄ, kad AFM signÄlÄ dominÄ augstÄkas kÄrtas elektrostatiskais spÄks, tika identificÄtas divas ā3 x ā3 apakÅ”režģu kopas divdimensiju divslÄÅu ledÅ«, no kurÄm viena ir parÄdÄ«ta attÄlÄ. 2Š° (pa kreisi).
ZemÄkÄ adatas augstumÄ Å”Ä« apakÅ”grupas spilgtie elementi sÄk rÄdÄ«t virzienu, bet otrs apakÅ”grupa pÄrvÄrÅ”as par V formas elementu (2a, centrÄts).
MinimÄlajÄ adatas augstumÄ AFM atklÄj Ŕūnveida struktÅ«ru ar skaidrÄm lÄ«nijÄm, kas savieno divas apakÅ”režģi, atgÄdinot H-saites (2a, labajÄ pusÄ).
BlÄ«vuma funkcionÄlÄs teorijas aprÄÄ·ini liecina, ka divdimensiju ledus, kas izaudzis uz Au(111) virsmas, atbilst savstarpÄji bloÄ·Ätai divslÄÅu ledus struktÅ«rai (2s), kas sastÄv no diviem plakaniem seÅ”stÅ«ra Å«dens slÄÅiem. Abu lokÅ”Åu seÅ”stÅ«ri ir konjugÄti, un leÅÄ·is starp Å«dens molekulÄm plaknÄ ir 120Ā°.
KatrÄ Å«dens slÄnÄ« puse Å«dens molekulu atrodas horizontÄli (paralÄli substrÄtam), bet otra puse atrodas vertikÄli (perpendikulÄri substrÄtam), un viens O-H ir vÄrsts uz augÅ”u vai uz leju. VertikÄli guļoÅ”s Å«dens vienÄ slÄnÄ« pieŔķir H-saiti ar horizontÄlu Å«deni citÄ slÄnÄ«, kÄ rezultÄtÄ veidojas pilnÄ«bÄ piesÄtinÄta H formas struktÅ«ra.
AFM simulÄcija, izmantojot kvadrupola (dz 2) galu (2b), pamatojoties uz iepriekÅ” minÄto modeli, labi saskan ar eksperimentÄlajiem rezultÄtiem (2a). DiemžÄl lÄ«dzÄ«gi horizontÄlÄ un vertikÄlÄ Å«dens augstums apgrÅ«tina to identificÄÅ”anu STM attÄlveidoÅ”anas laikÄ. TomÄr, izmantojot atomu spÄka mikroskopiju, abu veidu Å«dens molekulas ir skaidri atŔķiramas (2a Šø 2b pa labi), jo augstÄkas kÄrtas elektrostatiskais spÄks ir ļoti jutÄ«gs pret Å«dens molekulu orientÄciju.
Bija arÄ« iespÄjams tÄlÄk noteikt horizontÄlÄ un vertikÄlÄ Å«dens OH virzienu, mijiedarbojoties starp augstÄkas kÄrtas elektrostatiskajiem spÄkiem un Pauli atgrÅ«doÅ”ajiem spÄkiem, kÄ parÄdÄ«ts sarkanajÄs lÄ«nijÄs 2Š° Šø 2b (centrÄ).
3. attÄls
AttÄlos 3Š° Šø 3b (1. posms) parÄda attiecÄ«gi palielinÄtus AFM attÄlus no zigzaga un atzveltnes krÄsla spuru. KonstatÄts, ka zigzaga mala aug, saglabÄjot savu sÄkotnÄjo struktÅ«ru, un, pieaugot krÄsla formas malai, mala tiek atjaunota 5756 gredzenu periodiskajÄ struktÅ«rÄ, t.i. kad ribu struktÅ«ra periodiski atkÄrto secÄ«bu piecstÅ«ris - septiÅstÅ«ris - piecstÅ«ris - seÅ”stÅ«ris.
BlÄ«vuma funkcionÄlÄs teorijas aprÄÄ·ini liecina, ka nerekonstruÄtÄ zigzaga spura un 5756 krÄsla spura ir visstabilÄkÄs. 5756 mala veidojas kombinÄtu efektu rezultÄtÄ, kas samazina nepiesÄtinÄto Å«deÅraža saiÅ”u skaitu un samazina deformÄcijas enerÄ£iju.
ZinÄtnieki atgÄdina, ka seÅ”stÅ«ra ledus pamatplaknes parasti beidzas ar zigzaga ribÄm, un krÄsla formas ribu nav, jo ir lielÄks nepiesÄtinÄto Å«deÅraža saiÅ”u blÄ«vums. TomÄr mazÄs sistÄmÄs vai vietÄs, kur vieta ir ierobežota, krÄsla spuras var samazinÄt savu enerÄ£iju, pareizi pÄrveidojot.
KÄ minÄts iepriekÅ”, kad ledus augÅ”ana 120 K temperatÅ«rÄ tika apturÄta, paraugs nekavÄjoties tika atdzesÄts lÄ«dz 5 K, lai mÄÄ£inÄtu iesaldÄt metastabilÄs vai pÄrejas malu struktÅ«ras un nodroÅ”inÄt salÄ«dzinoÅ”i ilgu parauga kalpoÅ”anas laiku detalizÄtam pÄtÄ«jumam, izmantojot STM un AFM. TÄpat bija iespÄjams rekonstruÄt divdimensiju ledus augÅ”anas procesu (attÄls Nr. 3), pateicoties CO funkcionalizÄtajam mikroskopa galam, kas ļÄva atklÄt metastabilas un pÄrejas struktÅ«ras.
Zigzaga ribu gadÄ«jumÄ dažkÄrt tika atrasti atseviŔķi piecstÅ«ri, kas piestiprinÄti pie taisnajÄm ribÄm. Tie varÄtu ierindoties rindÄ, veidojot masÄ«vu ar periodiskumu 2 x aice (aice ir divdimensiju ledus režģa konstante). Å is novÄrojums var norÄdÄ«t, ka zigzaga malu augÅ”anu ierosina periodiska piecstÅ«ru masÄ«va veidoÅ”anÄs (3Š°, solis 1-3), kas ietver divu Å«dens pÄru pievienoÅ”anu piecstÅ«rim (sarkanÄs bultiÅas).
PÄc tam piecstÅ«ru masÄ«vs tiek savienots, lai izveidotu tÄdu struktÅ«ru kÄ 56665 (3Š°, 4. posms), un pÄc tam atjauno sÄkotnÄjo zigzaga izskatu, pievienojot vairÄk Å«dens tvaiku.
Ar krÄsla formas malÄm situÄcija ir pretÄja - nav piecstÅ«ru masÄ«vu, bet tÄ vietÄ diezgan bieži tiek novÄrotas Ä«sas spraugas, piemÄram, 5656 uz malas. 5656 spuras garums ir ievÄrojami Ä«sÄks nekÄ 5756. Tas, iespÄjams, ir tÄpÄc, ka 5656 spura ir ļoti noslogota un mazÄk stabila nekÄ 5756. SÄkot ar 5756 krÄsla spuru, 575 gredzeni tiek lokÄli pÄrveidoti par 656 gredzeniem, pievienojot divus Å«dens tvaiki (3b, 2. posms). TÄlÄk 656 gredzeni aug ŔķÄrsvirzienÄ, veidojot 5656 tipa malu (3b, 3. posms), bet ar ierobežotu garumu deformÄcijas enerÄ£ijas uzkrÄÅ”anÄs dÄļ.
Ja 5656 spuras seÅ”stÅ«rim pievieno vienu Å«dens pÄri, deformÄciju var daļÄji vÄjinÄt, un tas atkal novedÄ«s pie 5756 spuras veidoÅ”anÄs (3b, 4. posms).
IepriekÅ” minÄtie rezultÄti ir ļoti orientÄjoÅ”i, taÄu tika nolemts tos pamatot ar papildu datiem, kas iegÅ«ti no Au (111) virsmas Å«dens tvaiku molekulÄrÄs dinamikas aprÄÄ·iniem.
Tika konstatÄts, ka uz virsmas veiksmÄ«gi un netraucÄti veidojÄs XNUMXD divslÄÅu ledus salas, kas atbilst mÅ«su eksperimentÄlajiem novÄrojumiem.
4. attÄls
Uz attÄla 4Š° Soli pa solim parÄdÄ«ts tiltu kolektÄ«vÄs veidoÅ”anas mehÄnisms uz zigzaga ribÄm.
ZemÄk ir plaÅ”saziÅas lÄ«dzekļu materiÄli par Å”o pÄtÄ«jumu ar aprakstu.
Mediju materiÄls Nr.1
Ir vÄrts atzÄ«mÄt, ka viens piecstÅ«ris, kas piestiprinÄts zigzaga malai, nevar darboties kÄ vietÄjais kodolu veidoÅ”anÄs centrs, lai veicinÄtu izaugsmi.
Mediju materiÄls Nr.2
TÄ vietÄ zigzaga malÄ sÄkotnÄji veidojas periodisks, bet nesaistÄ«ts piecstÅ«ru tÄ«kls, un pÄc tam ienÄkoÅ”Äs Å«dens molekulas kolektÄ«vi mÄÄ£ina Å”os piecstÅ«rus savienot, kÄ rezultÄtÄ veidojas 565 tipa Ä·Ädes struktÅ«ra. DiemžÄl Å”Äda struktÅ«ra laikÄ nav novÄrota. praktiski novÄrojumi, kas izskaidro tÄ ÄrkÄrtÄ«gi Ä«so mūžu.
Mediju materiÄls Nr.3 un Nr.4
Viena Å«dens pÄra pievienoÅ”ana savieno 565 tipa struktÅ«ru un blakus esoÅ”o piecstÅ«ri, kÄ rezultÄtÄ veidojas 5666 tipa struktÅ«ra.
5666 tipa struktÅ«ra aug sÄniski, veidojot 56665 tipa struktÅ«ru un galu galÄ attÄ«stÄs par pilnÄ«bÄ savienotu seÅ”stÅ«ra režģi.
Mediju materiÄls Nr.5 un Nr.6
Uz attÄla 4b izaugsme ir parÄdÄ«ta atzveltnes krÄsla ribas gadÄ«jumÄ. PÄreja no 575. tipa gredzeniem uz 656. tipa gredzeniem sÄkas no apakÅ”ÄjÄ slÄÅa, veidojot saliktu 575/656 struktÅ«ru, ko eksperimentos nevar atŔķirt no 5756. tipa spuras, jo var attÄlot tikai divslÄÅu ledus augÅ”Äjo slÄni. eksperimentu laikÄ.
Mediju materiÄls Nr.7
IegÅ«tais tilts 656 kļūst par kodolu veidoÅ”anÄs centru 5656 ribas augÅ”anai.
Mediju materiÄls Nr.8
Pievienojot vienu Å«dens molekulu 5656 malai, tiek iegÅ«ta ļoti mobila nepÄra molekulas struktÅ«ra.
Mediju materiÄls Nr.9
Divas no Ŕīm nesapÄrotajÄm Å«dens molekulÄm pÄc tam var apvienoties stabilÄkÄ septiÅstÅ«ra struktÅ«rÄ, pabeidzot konversiju no 5656 uz 5756.
DetalizÄtÄkai iepazÄ«Å”anai ar pÄtÄ«juma niansÄm iesaku aplÅ«kot .
Epilogs
Galvenais Ŕī pÄtÄ«juma secinÄjums ir tÄds, ka novÄrotÄ struktÅ«ru uzvedÄ«ba augÅ”anas laikÄ var bÅ«t kopÄ«ga visiem divdimensiju ledus veidiem. DivslÄÅu seÅ”stÅ«ra ledus veidojas uz dažÄdÄm hidrofobÄm virsmÄm un hidrofobÄ norobežojuma apstÄkļos, un tÄpÄc to var uzskatÄ«t par atseviŔķu 2D kristÄlu (2D ledus I), kura veidoÅ”anÄs ir nejutÄ«ga pret substrÄta pamatÄ esoÅ”o struktÅ«ru.
ZinÄtnieki godÄ«gi saka, ka viÅu attÄlveidoÅ”anas tehnika vÄl nav piemÄrota darbam ar trÄ«sdimensiju ledu, taÄu divdimensiju ledus izpÄtes rezultÄti var kalpot par pamatu, lai izskaidrotu tÄ tilpuma radinieka veidoÅ”anÄs procesu. Citiem vÄrdiem sakot, izpratne par to, kÄ veidojas divdimensiju struktÅ«ras, ir svarÄ«gs pamats, lai pÄtÄ«tu trÄ«sdimensiju struktÅ«ras. TieÅ”i Å”im nolÅ«kam pÄtnieki plÄno nÄkotnÄ uzlabot savu metodi.
Paldies, ka lasÄ«jÄt, esiet ziÅkÄrÄ«gs un lai jums lieliska nedÄļa, puiÅ”i. š
Dažas reklÄmas š
Paldies, ka palikÄt kopÄ ar mums. Vai jums patÄ«k mÅ«su raksti? Vai vÄlaties redzÄt interesantÄku saturu? Atbalsti mÅ«s, pasÅ«tot vai iesakot draugiem, , unikÄls sÄkuma lÄ«meÅa serveru analogs, ko mÄs jums izgudrojÄm: (pieejams ar RAID1 un RAID10, lÄ«dz 24 kodoliem un lÄ«dz 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x lÄtÄk Equinix Tier IV datu centrÄ AmsterdamÄ? Tikai Å”eit NÄ«derlandÄ! Dell R420 ā 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB ā no 99 USD! LasÄ«t par
Avots: www.habr.com