Секој знае дека водата се јавува во три состојби на агрегација. Го ставаме котелот, а водата почнува да врие и испарува, претворајќи се од течна во гасовита. Го ставаме во замрзнувач и почнува да се претвора во мраз, со што се движи од течна во цврста состојба. Меѓутоа, под одредени околности, водената пареа присутна во воздухот може веднаш да премине во цврстата фаза, заобиколувајќи ја течната фаза. Овој процес го знаеме по неговиот резултат - прекрасни шари на прозорците во студениот зимски ден. Љубителите на автомобили, кога стругаат слој мраз од шофершајбната, често го карактеризираат овој процес користејќи не многу научни, туку многу емотивни и живописни епитети. На еден или друг начин, деталите за формирањето на дводимензионален мраз беа обвиткани во тајност многу години. И неодамна, за прв пат, меѓународен тим на научници беше во можност да ја визуелизира атомската структура на дводимензионалниот мраз за време на неговото формирање. Кои тајни се кријат во овој навидум едноставен физички процес, како научниците успеале да ги откријат и како се корисни нивните наоди? За ова ќе ни каже извештајот на истражувачката група. Оди.
Истражувачка основа
Ако претеруваме, тогаш практично сите предмети околу нас се тродимензионални. Меѓутоа, ако некои од нив ги разгледаме попрецизно, можеме да најдеме и дводимензионални. Кора од мраз што се формира на површината на нешто е одличен пример за ова. Постоењето на такви структури не е тајна за научната заедница, бидејќи тие биле многупати анализирани. Но, проблемот е што е доста тешко да се визуелизираат метастабилни или средни структури вклучени во формирањето на 2D мраз. Ова се должи на банални проблеми - кревкоста и кревкоста на структурите што се проучуваат.
За среќа, современите методи на скенирање овозможуваат анализирање на примероците со минимално влијание, што овозможува да се добијат максимални податоци за краток временски период, поради горенаведените причини. Во оваа студија, научниците користеле микроскопија на атомска сила без контакт, со врвот на иглата на микроскопот обложен со јаглерод моноксид (CO). Комбинацијата на овие алатки за скенирање овозможува да се добијат слики во реално време од рабните структури на дводимензионален двослоен хексагонален мраз израснат на златна (Au) површина.
Микроскопијата покажа дека за време на формирањето на дводимензионален мраз, во неговата структура истовремено коегзистираат два вида рабови (сегменти што поврзуваат две темиња на многуаголник): цик-цак (цик-цак) и во облик на стол (фотеља).
Фотелја (лево) и цик-цак (десно) рабови користејќи графен како пример.
Во оваа фаза, примероците беа брзо замрзнати, што овозможи детално да се испита атомската структура. Беше извршено и моделирање, чии резултати во голема мера се совпаднаа со резултатите од набљудувањето.
Утврдено е дека во случај на формирање на цик-цак ребра, на постоечкиот раб се додава дополнителна молекула на вода, а целиот процес се регулира со механизмот за премостување. Но, во случај на формирање на ребра од фотелја, не беа откриени дополнителни молекули, што е силно во спротивност со традиционалните идеи за растот на двослоен хексагонален мраз и воопшто дводимензионални хексагонални супстанции.
Зошто научниците избраа микроскоп со атомска сила без контакт за нивните набљудувања наместо микроскоп за скенирање тунели (STM) или преносен електронски микроскоп (TEM)? Како што веќе знаеме, изборот е поврзан со тешкотијата на проучување на краткотрајните и кревки структури на дводимензионалниот мраз. STM претходно се користеше за проучување на 2D мразови растени на различни површини, но овој тип на микроскоп не е чувствителен на положбата на јадрата, а неговиот врв може да предизвика грешки при снимањето. ТЕМ, напротив, совршено ја покажува атомската структура на ребрата. Сепак, за добивање на висококвалитетни слики потребни се електрони со висока енергија, кои лесно можат да ја променат, па дури и да ја уништат структурата на рабовите на ковалентно врзаните XNUMXD материјали, а да не ги спомнуваме полабаво поврзаните рабови во XNUMXD мразот.
Микроскопот со атомска сила нема такви недостатоци, а врвот обложен со CO овозможува проучување на меѓусебната вода со минимално влијание врз молекулите на водата.
Резултати од истражувањето
Слика бр. 1
Дводимензионален мраз се одгледувал на површината на Au(111) на температура од околу 120 К, а неговата дебелина била 2.5 Å (1).
STM слики од мраз (1c) и соодветната брза слика на Фуриеова трансформација (внесена во 1) покажуваат добро подредена шестоаголна структура со периодичност од Au(111)-√3 x √3-30°. Иако клеточната H-поврзана мрежа од 2D мраз е видлива на STM сликата, деталната топологија на рабните структури е тешко да се одреди. Во исто време, AFM со поместување на фреквенцијата (Δf) од истата област на примерокот даде подобри слики (1d), што овозможи да се визуелизираат делови од структурата во облик на стол и цик-цак. Вкупната должина на двете варијанти е споредлива, но просечната должина на реброто на претходникот е малку подолга (1b). Цик-цак ребрата може да пораснат до 60 А во должина, но оние во облик на стол се покриваат со дефекти за време на формирањето, што ја намалува нивната максимална должина на 10-30 Å.
Следно, систематско снимање на AFM беше спроведено на различни висини на игла (2).
Слика бр. 2
На највисоката висина на врвот, кога на сигналот AFM доминира електростатска сила од повисок ред, беа идентификувани две групи од √3 x √3 супрешетки во дводимензионален двослоен мраз, од кои едната е прикажана во 2 (лево).
На помали висини на иглата, светлите елементи на оваа подниза почнуваат да покажуваат насоченост, а другата подниза се претвора во елемент во облик на V (2a, центрирано).
На минимална висина на иглата, AFM открива саќе структура со јасни линии што поврзуваат две подрешетки, потсетувајќи на H-врски (2a, десно).
Пресметките на функционалната теорија на густината покажуваат дека дводимензионалниот мраз израснат на површината Au(111) одговара на испреплетена двослојна ледена структура (2-ти), кој се состои од два рамни хексагонални слоеви на вода. Шестоаголниците на двата листа се конјугирани, а аголот помеѓу молекулите на водата во рамнината е 120°.
Во секој слој на вода, половина од молекулите на водата лежат хоризонтално (паралелно со подлогата), а другата половина лежат вертикално (нормално на подлогата), со еден O-H насочен нагоре или надолу. Вертикално лежената вода во еден слој донира H-врска на хоризонталната вода во друг слој, што резултира со целосно заситена структура во облик на H.
AFM симулација со помош на четирипол (dz 2) врв (2b) врз основа на горенаведениот модел е во добра согласност со експерименталните резултати (2a). За жал, сличните висини на хоризонтална и вертикална вода ја отежнуваат нивната идентификација за време на снимањето со STM. Меѓутоа, кога се користи микроскопија со атомска сила, молекулите на двата вида вода јасно се разликуваат (2a и 2b нели) бидејќи електростатската сила од повисок ред е многу чувствителна на ориентацијата на молекулите на водата.
Исто така, беше можно дополнително да се одреди O-H насоченоста на хоризонталната и вертикалната вода преку интеракцијата помеѓу електростатските сили од повисок ред и одбивните сили на Паули, како што е прикажано со црвените линии во 2 и 2b (центар).
Слика бр. 3
На сликите 3 и 3b (Фаза 1) покажува зголемени AFM слики на цик-цак и перки на фотелја, соодветно. Утврдено е дека цик-цак раб расте додека ја одржува својата првобитна структура, а со растот на раб во облик на стол, раб се враќа во периодична структура од 5756 прстени, т.е. кога структурата на ребрата периодично ја повторува низата пентагон - хептагон - петаголник - шестоаголник.
Пресметките на функционалната теорија на густината покажуваат дека нереконструираната цик-цак перка и перката од стол 5756 се најстабилни. Работ 5756 е формиран како резултат на комбинирани ефекти кои го минимизираат бројот на незаситени водородни врски и ја намалуваат енергијата на напрегање.
Научниците потсетуваат дека базалните рамнини на хексагоналниот мраз обично завршуваат со цик-цак ребра, а ребрата во облик на стол се отсутни поради поголемата густина на незаситените водородни врски. Меѓутоа, во мали системи или каде што просторот е ограничен, перките на столот може да ја намалат нивната енергија преку правилен редизајн.
Како што беше споменато претходно, кога растот на мразот на 120 K беше запрен, примерокот веднаш беше ладен на 5 K за да се обиде да ги замрзне метастабилните или преодните рабови структури и да обезбеди релативно долг животен век на примерокот за детално проучување користејќи STM и AFM. Исто така, беше можно да се реконструира процесот на раст на дводимензионалниот мраз (слика бр. 3) благодарение на врвот на микроскопот функционализиран со CO, што овозможи да се детектираат метастабилни и преодни структури.
Во случај на цик-цак ребра, понекогаш се наоѓале поединечни петаголници прикачени на правите ребра. Тие би можеле да се редат по ред, формирајќи низа со периодичност од 2 x ас (ас е решеткаста константа на дводимензионалниот мраз). Ова набљудување може да укаже дека растот на цик-цак рабовите е инициран со формирање на периодична низа од петаголници (3, чекор 1-3), што вклучува додавање на два пара вода за пентагонот (црвени стрелки).
Потоа, низата пентагони се поврзуваат за да формираат структура како 56665 (3, фаза 4), а потоа го враќа оригиналниот цик-цак изглед со додавање повеќе водена пареа.
Со рабовите во облик на стол, ситуацијата е спротивна - нема низи пентагони, но наместо тоа, доста често се забележуваат кратки празнини како 5656 на работ. Должината на перката 5656 е значително пократка од онаа на 5756. Ова е веројатно затоа што перката 5656 е многу напрегана и помалку стабилна од 5756. Почнувајќи со перката 5756, 575 прстени локално се претвораат во 656 прстени со додавање на два водена пареа (3b, фаза 2). Следно, прстените 656 растат во попречна насока, формирајќи раб од типот 5656 (3b, етапа 3), но со ограничена должина поради акумулацијата на енергијата на деформација.
Ако еден пар вода се додаде на шестоаголникот на перка 5656, деформацијата може делумно да се ослабне, а тоа повторно ќе доведе до формирање на перка 5756 (3b, фаза 4).
Горенаведените резултати се многу индикативни, но беше одлучено да се поддржат со дополнителни податоци добиени од пресметките за молекуларна динамика на водената пареа на површината на Au (111).
Откриено е дека XNUMXД двослојните ледени острови се формирале успешно и непречено на површината, што е во согласност со нашите експериментални набљудувања.
Слика бр. 4
На сликата 4 Механизмот на колективно формирање на мостови на цик-цак ребра е прикажан чекор по чекор.
Подолу се дадени медиумски материјали за оваа студија со опис.
Медиумски материјал бр.1
Вреди да се напомене дека еден пентагон прикачен на цик-цак раб не може да дејствува како локален центар за нуклеација за да го промовира растот.
Медиумски материјал бр.2
Наместо тоа, периодична, но неповрзана мрежа од пентагони првично се формира на цик-цак работ, а последователните молекули на водата колективно се обидуваат да ги поврзат овие пентагони, што резултира со формирање на структура од синџири од типот 565. За жал, таква структура не е забележана за време на практични набљудувања, што го објаснува неговиот исклучително краток животен век.
Медиумски материјал бр.3 и бр.4
Додавањето на еден пар вода ги поврзува структурата од типот 565 и соседниот пентагон, што резултира со формирање на структурата од типот 5666.
Структурата од типот 5666 расте странично за да ја формира структурата од типот 56665 и на крајот се развива во целосно поврзана хексагонална решетка.
Медиумски материјал бр.5 и бр.6
На сликата 4b раст е прикажан во случај на ребро од фотелја. Конверзијата од прстени од тип 575 во прстени од тип 656 започнува од долниот слој, формирајќи композитна структура 575/656 која не може да се разликува од перка од типот 5756 во експериментите, бидејќи само горниот слој на двослојниот мраз може да се сними. за време на експериментите.
Медиумски материјал бр.7
Добиениот мост 656 станува центар за нуклеација за растот на реброто 5656.
Медиумски материјал бр.8
Додавањето на една молекула на вода на раб 5656 резултира со многу мобилна неспарена молекула структура.
Медиумски материјал бр.9
Две од овие неспарени молекули на вода може последователно да се комбинираат во постабилна хептагонална структура, завршувајќи ја конверзијата од 5656 на 5756.
За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете .
Епилог
Главниот заклучок на оваа студија е дека набљудуваното однесување на структурите за време на растот може да биде заедничко за сите видови дводимензионален мраз. Двослоен хексагонален мраз се формира на различни хидрофобни површини и под хидрофобни услови на затворање, и затоа може да се смета како посебен 2D кристал (2D ice I), чиешто формирање е нечувствително на основната структура на подлогата.
Научниците искрено велат дека нивната техника на слика сè уште не е погодна за работа со тродимензионален мраз, но резултатите од проучувањето на дводимензионалниот мраз можат да послужат како основа за објаснување на процесот на формирање на неговиот волуметриски роднина. Со други зборови, разбирањето како се формираат дводимензионалните структури е важна основа за проучување на тридимензионалните. Токму за таа цел истражувачите планираат да го подобрат својот метод во иднина.
Ви благодариме за читањето, останете љубопитни и имајте одлична недела момци. 🙂
Некои реклами 🙂
Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, , уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој беше измислен од нас за вас: (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 пати поевтин во центарот за податоци Equinix Tier IV во Амстердам? Само овде во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за
Извор: www.habr.com