खिडकीवरील नमुने किंवा वाहनचालकांचा त्रास: द्विमितीय बर्फ कसा वाढतो

प्रत्येकाला माहित आहे की पाणी एकत्रीकरणाच्या तीन अवस्थांमध्ये येते. आम्ही किटली लावतो, आणि पाणी उकळू लागते आणि बाष्पीभवन होते, द्रव ते वायू बनते. आम्ही ते फ्रीजरमध्ये ठेवतो आणि ते बर्फात बदलू लागते, ज्यामुळे द्रवपदार्थातून घन स्थितीत जाते. तथापि, काही विशिष्ट परिस्थितीत, हवेतील पाण्याची वाफ द्रव अवस्थेला मागे टाकून ताबडतोब घन अवस्थेत जाऊ शकते. आम्हाला ही प्रक्रिया त्याच्या परिणामाद्वारे माहित आहे - थंड हिवाळ्याच्या दिवशी खिडक्यांवर सुंदर नमुने. कार उत्साही, विंडशील्डमधून बर्फाचा थर स्क्रॅप करताना, बहुतेकदा ही प्रक्रिया अतिशय वैज्ञानिक नसून अतिशय भावनिक आणि स्पष्ट शब्दांचा वापर करून वैशिष्ट्यीकृत करतात. एक किंवा दुसर्या मार्गाने, द्विमितीय बर्फाच्या निर्मितीचे तपशील अनेक वर्षांपासून गुप्त होते. आणि अलीकडेच, प्रथमच, शास्त्रज्ञांची एक आंतरराष्ट्रीय टीम त्याच्या निर्मिती दरम्यान द्विमितीय बर्फाच्या अणू संरचनेची कल्पना करण्यात सक्षम झाली. या वरवर साध्या शारीरिक प्रक्रियेत कोणती रहस्ये दडलेली आहेत, शास्त्रज्ञांनी ते कसे उघड केले आणि त्यांचे निष्कर्ष कसे उपयुक्त आहेत? संशोधन गटाचा अहवाल आम्हाला याबद्दल सांगेल. जा.

संशोधनाचा आधार

जर आपण अतिशयोक्ती केली तर आपल्या सभोवतालच्या सर्व वस्तू त्रिमितीय आहेत. तथापि, जर आपण त्यापैकी काहींचा अधिक बारकाईने विचार केला तर आपण द्विमितीय देखील शोधू शकतो. एखाद्या गोष्टीच्या पृष्ठभागावर तयार होणारे बर्फाचे कवच हे याचे प्रमुख उदाहरण आहे. अशा संरचनांचे अस्तित्व वैज्ञानिक समुदायासाठी गुप्त नाही, कारण त्यांचे अनेक वेळा विश्लेषण केले गेले आहे. परंतु समस्या अशी आहे की 2D बर्फाच्या निर्मितीमध्ये सामील असलेल्या मेटास्टेबल किंवा इंटरमीडिएट स्ट्रक्चर्सची कल्पना करणे खूप कठीण आहे. हे बॅनल समस्यांमुळे आहे - अभ्यास केलेल्या संरचनांची नाजूकपणा आणि नाजूकपणा.

सुदैवाने, आधुनिक स्कॅनिंग पद्धती वरील कारणांमुळे कमीत कमी परिणामासह नमुन्यांचे विश्लेषण करण्यास परवानगी देतात, ज्यामुळे कमी कालावधीत जास्तीत जास्त डेटा मिळू शकतो. या अभ्यासात, शास्त्रज्ञांनी कार्बन मोनॉक्साईड (CO) सह लेपित सूक्ष्मदर्शक सुईच्या टोकासह, संपर्क नसलेल्या अणू शक्ती मायक्रोस्कोपीचा वापर केला. या स्कॅनिंग टूल्सच्या संयोजनामुळे सोन्याच्या (Au) पृष्ठभागावर उगवलेल्या द्विमितीय द्विस्तरीय षटकोनी बर्फाच्या काठाच्या रचनेच्या वास्तविक-वेळ प्रतिमा मिळवणे शक्य होते.

मायक्रोस्कोपीने दर्शविले आहे की द्विमितीय बर्फाच्या निर्मितीदरम्यान, दोन प्रकारच्या कडा (बहुभुजाच्या दोन शिरोबिंदूंना जोडणारे विभाग) त्याच्या संरचनेत एकाच वेळी एकत्र असतात: झिगझॅग (हेलकावा) आणि खुर्चीच्या आकाराचे (आर्मचेअर).

आर्मचेअर (डावीकडे) आणि झिगझॅग (उजवीकडे) कडा उदाहरण म्हणून ग्राफीन वापरून.

या टप्प्यावर, नमुने त्वरीत गोठवले गेले, ज्यामुळे अणू संरचनेचे तपशीलवार परीक्षण केले जाऊ शकते. मॉडेलिंग देखील केले गेले, ज्याचे परिणाम मोठ्या प्रमाणात निरीक्षणाच्या परिणामांशी जुळले.

असे आढळून आले की झिगझॅग रिब्सच्या निर्मितीच्या बाबतीत, विद्यमान काठावर अतिरिक्त पाण्याचा रेणू जोडला जातो आणि संपूर्ण प्रक्रिया ब्रिजिंग यंत्रणेद्वारे नियंत्रित केली जाते. परंतु आर्मचेअर रिब्सच्या निर्मितीच्या बाबतीत, कोणतेही अतिरिक्त रेणू आढळले नाहीत, जे सामान्यतः द्वि-स्तरीय षटकोनी बर्फ आणि द्वि-आयामी षटकोनी पदार्थांच्या वाढीबद्दलच्या पारंपारिक कल्पनांशी जोरदार विरोधाभास करतात.

स्कॅनिंग टनेलिंग मायक्रोस्कोप (STM) किंवा ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप (TEM) ऐवजी शास्त्रज्ञांनी त्यांच्या निरीक्षणासाठी संपर्क नसलेला अणुशक्ती सूक्ष्मदर्शक का निवडला? आपल्याला आधीच माहित आहे की, निवड द्विमितीय बर्फाच्या अल्पायुषी आणि नाजूक संरचनांचा अभ्यास करण्याच्या अडचणीशी संबंधित आहे. एसटीएम पूर्वी विविध पृष्ठभागांवर उगवलेल्या 2D बर्फाचा अभ्यास करण्यासाठी वापरला गेला आहे, परंतु या प्रकारचे सूक्ष्मदर्शक केंद्रकांच्या स्थितीसाठी संवेदनशील नाही आणि त्याच्या टीपमुळे इमेजिंग त्रुटी येऊ शकतात. TEM, त्याउलट, बरगड्यांची अणू रचना उत्तम प्रकारे दर्शवते. तथापि, उच्च-गुणवत्तेच्या प्रतिमा मिळविण्यासाठी उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनची आवश्यकता असते, जे सहजतेने बदलू शकतात किंवा सहसंयोजक बंधित XNUMXD सामग्रीच्या काठाची रचना देखील नष्ट करू शकतात, XNUMXD बर्फातील अधिक सैलपणे बंधलेल्या कडांचा उल्लेख करू नका.

अणुशक्ती सूक्ष्मदर्शकामध्ये असे तोटे नसतात आणि CO-coated टीप पाण्याच्या रेणूंवर कमीतकमी प्रभावासह इंटरफेसियल पाण्याचा अभ्यास करण्यास अनुमती देते.

संशोधन परिणाम

प्रतिमा #1

द्विमितीय बर्फ Au(111) पृष्ठभागावर सुमारे 120 K तापमानात वाढला होता आणि त्याची जाडी 2.5 Å (एक्सएनयूएमएक्स).

बर्फाच्या STM प्रतिमा (1c) आणि संबंधित फास्ट फूरियर ट्रान्सफॉर्म इमेज (इनसेट एक्सएनयूएमएक्स) Au(111)-√3 x √3-30° च्या नियतकालिकासह सुव्यवस्थित षटकोनी रचना दर्शवा. 2D बर्फाचे सेल्युलर एच-कनेक्ट केलेले नेटवर्क STM प्रतिमेमध्ये दिसत असले तरी, काठाच्या संरचनेचे तपशीलवार टोपोलॉजी निश्चित करणे कठीण आहे. त्याच वेळी, समान नमुना क्षेत्राच्या फ्रिक्वेंसी शिफ्ट (Δf) सह AFM ने चांगल्या प्रतिमा दिल्या (1d), ज्यामुळे संरचनेच्या खुर्चीच्या आकाराचे आणि झिगझॅग विभागांची कल्पना करणे शक्य झाले. दोन्ही प्रकारांची एकूण लांबी तुलना करण्यायोग्य आहे, परंतु पूर्ववर्ती बरगडीची सरासरी लांबी थोडी जास्त आहे (1b). झिगझॅग बरगड्यांची लांबी 60 Å पर्यंत वाढू शकते, परंतु खुर्चीच्या आकाराच्या फासळ्या तयार होत असताना दोषांनी झाकल्या जातात, ज्यामुळे त्यांची कमाल लांबी 10-30 Å पर्यंत कमी होते.

पुढे, वेगवेगळ्या सुईच्या उंचीवर पद्धतशीर एएफएम इमेजिंग केले गेले (एक्सएनयूएमएक्स).

प्रतिमा #2

सर्वोच्च टोकाच्या उंचीवर, जेव्हा AFM सिग्नलवर उच्च ऑर्डर इलेक्ट्रोस्टॅटिक फोर्सचे वर्चस्व असते, तेव्हा द्विमितीय बिलेयर बर्फातील √3 x √3 उपलॅटिसेसचे दोन संच ओळखले गेले, त्यापैकी एक मध्ये दर्शविला आहे एक्सएनयूएमएक्स (डावीकडे).

कमी सुईच्या उंचीवर, या सबरेचे तेजस्वी घटक दिशानिर्देश दर्शवू लागतात आणि इतर सबरे व्ही-आकाराच्या घटकात बदलतात (2a, केंद्रीत).

कमीत कमी सुईच्या उंचीवर, AFM दोन सबलॅटिसेस जोडणार्‍या स्पष्ट रेषा असलेली मधाच्या पोळ्याची रचना प्रकट करते, एच-बॉन्डची आठवण करून देणारी (2a, उजवीकडे).

घनता कार्यात्मक सिद्धांत गणना दर्शविते की Au(111) पृष्ठभागावर उगवलेला द्विमितीय बर्फ एका इंटरलॉकिंग द्वि-स्तर बर्फाच्या संरचनेशी संबंधित आहे (2c), पाण्याच्या दोन सपाट षटकोनी थरांचा समावेश आहे. दोन शीट्सचे षटकोनी संयुग्मित आहेत आणि विमानातील पाण्याच्या रेणूंमधील कोन 120° आहे.

पाण्याच्या प्रत्येक थरामध्ये, अर्धे पाण्याचे रेणू क्षैतिज (सब्सट्रेटला समांतर) आणि उरलेले अर्धे रेणू अनुलंब (सबस्ट्रेटला लंब) असतात, एक O–H वर किंवा खाली निर्देशित करतो. एका थरात उभ्या पडलेले पाणी दुसऱ्या थरातील आडव्या पाण्याला एच-बॉन्ड दान करते, परिणामी संपूर्ण संतृप्त एच-आकाराची रचना होते.

क्वाड्रपोल (dz 2) टिप वापरून AFM सिम्युलेशन (2b) वरील मॉडेलवर आधारित प्रायोगिक परिणामांशी चांगले सहमत आहे (2a). दुर्दैवाने, क्षैतिज आणि उभ्या पाण्याची समान उंची एसटीएम इमेजिंग दरम्यान त्यांची ओळख अवघड बनवते. तथापि, अणुशक्ती मायक्रोस्कोपी वापरताना, दोन्ही प्रकारच्या पाण्याचे रेणू स्पष्टपणे वेगळे केले जातात (2a и 2b उजवीकडे) कारण उच्च क्रमाचे इलेक्ट्रोस्टॅटिक बल हे पाण्याच्या रेणूंच्या अभिमुखतेसाठी अत्यंत संवेदनशील असते.

लाल रेषांद्वारे दर्शविल्याप्रमाणे, उच्च ऑर्डर इलेक्ट्रोस्टॅटिक फोर्स आणि पाउली तिरस्करणीय शक्ती यांच्यातील परस्परसंवादाद्वारे क्षैतिज आणि उभ्या पाण्याची O-H दिशात्मकता निश्चित करणे देखील शक्य होते. एक्सएनयूएमएक्स и 2b (मध्यभागी).

प्रतिमा #3

प्रतिमांमध्ये एक्सएनयूएमएक्स и 3b (स्टेज 1) अनुक्रमे झिगझॅग आणि आर्मचेअर फिनच्या विस्तारित AFM प्रतिमा दर्शविते. असे आढळून आले की झिगझॅग काठ त्याची मूळ रचना कायम ठेवत वाढतो आणि खुर्चीच्या आकाराच्या काठाच्या वाढीसह, धार 5756 रिंगांच्या नियतकालिक संरचनेत पुनर्संचयित केली जाते, म्हणजे. जेव्हा बरगड्यांची रचना वेळोवेळी पंचकोन - हेप्टागोन - पंचकोन - षटकोन क्रमाची पुनरावृत्ती करते.

घनता कार्यात्मक सिद्धांत गणना दर्शविते की पुनर्रचना न केलेले झिगझॅग फिन आणि 5756 चेअर फिन सर्वात स्थिर आहेत. 5756 किनारा एकत्रित परिणामांच्या परिणामी तयार होतो ज्यामुळे असंतृप्त हायड्रोजन बंधांची संख्या कमी होते आणि ताण ऊर्जा कमी होते.

शास्त्रज्ञांना आठवते की षटकोनी बर्फाचे बेसल प्लेन सामान्यतः झिगझॅग रिब्समध्ये संपतात आणि असंतृप्त हायड्रोजन बंधांच्या उच्च घनतेमुळे खुर्चीच्या आकाराच्या बरगड्या अनुपस्थित असतात. तथापि, लहान प्रणालींमध्ये किंवा जेथे जागा मर्यादित आहे, खुर्चीचे पंख योग्य पुनर्रचना करून त्यांची ऊर्जा कमी करू शकतात.

आधी सांगितल्याप्रमाणे, जेव्हा 120 K वर बर्फाची वाढ थांबवली गेली तेव्हा, मेटास्टेबल किंवा ट्रान्झिशन एज स्ट्रक्चर्स गोठवण्याचा प्रयत्न करण्यासाठी आणि STM आणि AFM वापरून तपशीलवार अभ्यासासाठी तुलनेने दीर्घ नमुना आयुष्य सुनिश्चित करण्यासाठी नमुना ताबडतोब 5 K वर थंड केला गेला. द्विमितीय बर्फाच्या वाढीच्या प्रक्रियेची पुनर्रचना करणे देखील शक्य झाले (प्रतिमा क्र. 3) CO-कार्यक्षम सूक्ष्मदर्शकाच्या टीपमुळे, ज्यामुळे मेटास्टेबल आणि संक्रमण संरचना शोधणे शक्य झाले.

झिगझॅग रिब्सच्या बाबतीत, वैयक्तिक पंचकोन कधीकधी सरळ बरगड्यांना जोडलेले आढळतात. ते एका ओळीत उभे राहू शकतात, 2 x च्या नियतकालिकासह अॅरे तयार करू शकतात aice (aice द्विमितीय बर्फाची जाळी स्थिरांक आहे). हे निरीक्षण असे सूचित करू शकते की झिगझॅग कडांची वाढ पंचकोनांच्या नियतकालिक अॅरेच्या निर्मितीने सुरू होते (एक्सएनयूएमएक्स, चरण 1-3), ज्यामध्ये पंचकोन (लाल बाण) साठी दोन पाण्याच्या जोड्या जोडणे समाविष्ट आहे.

पुढे, पंचकोनांची अॅरे 56665 सारखी रचना तयार करण्यासाठी जोडली जाते (एक्सएनयूएमएक्स, स्टेज 4), आणि नंतर अधिक पाण्याची वाफ जोडून मूळ झिगझॅग स्वरूप पुनर्संचयित करते.

खुर्चीच्या आकाराच्या कडांसह परिस्थिती उलट आहे - पंचकोनचे कोणतेही अॅरे नाहीत, परंतु त्याऐवजी काठावर 5656 सारखे लहान अंतर बरेचदा दिसून येते. 5656 फिनची लांबी 5756 पेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी आहे. हे शक्यतो कारण 5656 फिन जास्त ताणलेला आहे आणि 5756 पेक्षा कमी स्थिर आहे. 5756 चेअर फिनपासून सुरुवात करून, 575 रिंग स्थानिकरित्या दोन जोडून 656 रिंगमध्ये बदलल्या जातात. पाण्याची वाफ (3b, टप्पा 2). पुढे, 656 रिंग आडवा दिशेने वाढतात, 5656 प्रकाराची धार बनवतात (3b, स्टेज 3), परंतु विकृती ऊर्जा जमा झाल्यामुळे मर्यादित लांबीसह.

5656 फिनच्या षटकोनीमध्ये एक पाण्याची जोडी जोडल्यास, विकृती अंशतः कमकुवत होऊ शकते आणि यामुळे पुन्हा 5756 फिन तयार होईल (3b, टप्पा 4).

वरील परिणाम खूप सूचक आहेत, परंतु Au (111) पृष्ठभागावरील पाण्याच्या वाफेच्या आण्विक गतिशीलतेच्या गणनेतून मिळवलेल्या अतिरिक्त डेटासह त्यांचे समर्थन करण्याचा निर्णय घेण्यात आला.

असे आढळून आले की 2D दुहेरी-स्तर बर्फाची बेटे पृष्ठभागावर यशस्वीरीत्या आणि विना अडथळा निर्माण झाली, जी आमच्या प्रायोगिक निरीक्षणांशी सुसंगत आहे.

प्रतिमा #4

प्रतिमेवर एक्सएनयूएमएक्स झिगझॅग रिब्सवर पुलांच्या एकत्रित निर्मितीची यंत्रणा चरण-दर-चरण दर्शविली आहे.

खाली वर्णनासह या अभ्यासावरील मीडिया सामग्री आहे.

मीडिया साहित्य क्रमांक 1

हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की झिगझॅग काठाला जोडलेला एकच पंचकोन वाढीस चालना देण्यासाठी स्थानिक न्यूक्लिएशन केंद्र म्हणून काम करू शकत नाही.

मीडिया साहित्य क्रमांक 2

त्याऐवजी, पंचकोनांचे नियतकालिक परंतु जोडलेले नसलेले नेटवर्क सुरुवातीला झिगझॅगच्या काठावर तयार होते आणि त्यानंतर येणारे पाण्याचे रेणू एकत्रितपणे या पंचकोनांना जोडण्याचा प्रयत्न करतात, परिणामी 565-प्रकारची साखळी रचना तयार होते. दुर्दैवाने, अशी रचना या दरम्यान आढळून आली नाही. व्यावहारिक निरीक्षणे, जे त्याचे अत्यंत लहान आयुष्य स्पष्ट करतात.

मीडिया साहित्य क्रमांक 3 आणि क्रमांक 4



एका पाण्याच्या जोडीची भर 565 प्रकारची रचना आणि समीप पंचकोन यांना जोडते, परिणामी 5666 प्रकारची रचना तयार होते.

5666 प्रकारची रचना बाजूने वाढून 56665 प्रकारची रचना बनते आणि अखेरीस पूर्णपणे जोडलेल्या षटकोनी जाळीमध्ये विकसित होते.

मीडिया साहित्य क्रमांक 5 आणि क्रमांक 6



प्रतिमेवर 4b आर्मचेअर रिबच्या बाबतीत वाढ दिसून येते. प्रकार 575 रिंग्सपासून टाइप 656 रिंग्समध्ये रूपांतरण तळाच्या थरापासून सुरू होते, एक संमिश्र 575/656 रचना तयार करते जी प्रयोगांमध्ये 5756 फिनपासून ओळखली जाऊ शकत नाही, कारण फक्त दोन-स्तर बर्फाच्या वरच्या थराची प्रतिमा काढली जाऊ शकते. प्रयोग दरम्यान.

मीडिया साहित्य क्रमांक 7

परिणामी ब्रिज 656 5656 बरगडीच्या वाढीसाठी न्यूक्लिएशन केंद्र बनतो.

मीडिया साहित्य क्रमांक 8

5656 एजमध्ये एक पाण्याचा रेणू जोडल्याने उच्च मोबाइल अनपेअर रेणू संरचना बनते.

मीडिया साहित्य क्रमांक 9

यापैकी दोन न जोडलेले पाण्याचे रेणू नंतर 5656 ते 5756 पर्यंतचे रूपांतरण पूर्ण करून अधिक स्थिर हेप्टागोनल रचनेत एकत्र येऊ शकतात.

अभ्यासाच्या बारकाव्यांबद्दल अधिक तपशीलवार परिचित होण्यासाठी, मी पहाण्याची शिफारस करतो शास्त्रज्ञांनी अहवाल दिला.

एपिलोग

या अभ्यासाचा मुख्य निष्कर्ष असा आहे की वाढीदरम्यान संरचनांचे निरीक्षण केलेले वर्तन सर्व प्रकारच्या द्विमितीय बर्फासाठी सामान्य असू शकते. बिलेयर षटकोनी बर्फ विविध हायड्रोफोबिक पृष्ठभागांवर आणि हायड्रोफोबिक बंदिस्त परिस्थितीत तयार होतो, आणि म्हणून तो एक वेगळा 2D क्रिस्टल (2D बर्फ I) मानला जाऊ शकतो, ज्याची निर्मिती सब्सट्रेटच्या अंतर्निहित संरचनेसाठी असंवेदनशील आहे.

शास्त्रज्ञ प्रामाणिकपणे म्हणतात की त्यांचे इमेजिंग तंत्र अद्याप त्रि-आयामी बर्फासह कार्य करण्यासाठी योग्य नाही, परंतु द्विमितीय बर्फाचा अभ्यास केल्याचे परिणाम त्याच्या व्हॉल्यूमेट्रिक सापेक्ष निर्मिती प्रक्रियेचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी आधार म्हणून काम करू शकतात. दुस-या शब्दात, द्विमितीय रचना कशा तयार होतात हे समजून घेणे हा त्रिमितीय रचनांचा अभ्यास करण्यासाठी महत्त्वाचा पाया आहे. या उद्देशानेच संशोधकांनी भविष्यात त्यांची पद्धत सुधारण्याची योजना आखली आहे.

वाचल्याबद्दल धन्यवाद, उत्सुक रहा आणि मित्रांनो एक चांगला आठवडा जावो. 🙂

काही जाहिराती 🙂

आमच्यासोबत राहिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्हाला आमचे लेख आवडतात का? अधिक मनोरंजक सामग्री पाहू इच्छिता? ऑर्डर देऊन किंवा मित्रांना शिफारस करून आम्हाला समर्थन द्या, $4.99 पासून विकसकांसाठी क्लाउड VPS, एंट्री-लेव्हल सर्व्हरचे एक अद्वितीय अॅनालॉग, जे तुमच्यासाठी आमच्याद्वारे शोधले गेले आहे: VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps बद्दल संपूर्ण सत्य $19 पासून किंवा सर्व्हर कसा शेअर करायचा? (RAID1 आणि RAID10 सह उपलब्ध, 24 कोर पर्यंत आणि 40GB DDR4 पर्यंत).

डेल R730xd ऍमस्टरडॅममधील इक्विनिक्स टियर IV डेटा सेंटरमध्ये 2 पट स्वस्त? फक्त इथेच 2 x इंटेल टेट्राडेका-कोर Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 टीव्ही $199 पासून नेदरलँड मध्ये! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99 पासून! बद्दल वाचा इन्फ्रास्ट्रक्चर कॉर्पोरेशन कसे तयार करावे. डेल R730xd E5-2650 v4 सर्व्हरचा वापर करून 9000 युरो किमतीचा वर्ग?

स्त्रोत: www.habr.com