Semua orang tahu bahawa air berlaku dalam tiga keadaan pengagregatan. Kami meletakkan cerek, dan air mula mendidih dan menguap, bertukar daripada cecair kepada gas. Kami meletakkannya di dalam peti sejuk, dan ia mula bertukar menjadi ais, dengan itu bergerak dari cecair ke keadaan pepejal. Walau bagaimanapun, dalam keadaan tertentu, wap air yang terdapat di udara boleh serta-merta melalui fasa pepejal, memintas fasa cecair. Kami mengetahui proses ini melalui hasilnya - corak yang cantik pada tingkap pada hari musim sejuk yang membeku. Peminat kereta, apabila mengikis lapisan ais dari cermin depan, sering mencirikan proses ini menggunakan julukan yang tidak terlalu saintifik, tetapi sangat emosi dan jelas. Satu cara atau yang lain, butiran pembentukan ais dua dimensi telah diselubungi kerahsiaan selama bertahun-tahun. Dan baru-baru ini, buat pertama kalinya, pasukan saintis antarabangsa dapat menggambarkan struktur atom ais dua dimensi semasa pembentukannya. Apakah rahsia yang tersembunyi dalam proses fizikal yang kelihatan mudah ini, bagaimana saintis berjaya membongkarnya, dan bagaimana penemuan mereka berguna? Laporan kumpulan penyelidik akan memberitahu kami tentang perkara ini. Pergi.
Asas penyelidikan
Jika kita membesar-besarkan, maka hampir semua objek di sekeliling kita adalah tiga dimensi. Walau bagaimanapun, jika kita mempertimbangkan sebahagian daripadanya dengan lebih teliti, kita juga boleh mencari yang dua dimensi. Kerak ais yang terbentuk di permukaan sesuatu adalah contoh utama perkara ini. Kewujudan struktur sedemikian bukanlah rahsia kepada komuniti saintifik, kerana ia telah dianalisis berkali-kali. Tetapi masalahnya ialah agak sukar untuk memvisualisasikan struktur metastabil atau perantaraan yang terlibat dalam pembentukan ais 2D. Ini disebabkan oleh masalah cetek - kerapuhan dan kerapuhan struktur yang sedang dikaji.
Nasib baik, kaedah pengimbasan moden membolehkan sampel dianalisis dengan impak yang minimum, yang membolehkan data maksimum diperoleh dalam tempoh yang singkat, disebabkan oleh sebab di atas. Dalam kajian ini, saintis menggunakan mikroskopi daya atom bukan sentuhan, dengan hujung jarum mikroskop disalut dengan karbon monoksida (CO). Gabungan alat pengimbasan ini memungkinkan untuk mendapatkan imej masa nyata struktur tepi ais heksagon dwilapis dua dimensi yang ditanam pada permukaan emas (Au).
Mikroskopi telah menunjukkan bahawa semasa pembentukan ais dua dimensi, dua jenis tepi (segmen yang menghubungkan dua bucu poligon) secara serentak wujud bersama dalam strukturnya: zigzag (zigzag) dan berbentuk kerusi (kerusi).
Kerusi berlengan (kiri) dan zigzag (kanan) tepi menggunakan graphene sebagai contoh.
Pada peringkat ini, sampel telah dibekukan dengan cepat, membolehkan struktur atom diperiksa secara terperinci. Pemodelan juga dijalankan, keputusan yang sebahagian besarnya bertepatan dengan hasil pemerhatian.
Didapati bahawa dalam kes pembentukan rusuk zigzag, molekul air tambahan ditambah ke tepi sedia ada, dan keseluruhan proses dikawal oleh mekanisme penyambungan. Tetapi dalam kes pembentukan tulang rusuk kerusi berlengan, tiada molekul tambahan dikesan, yang sangat berbeza dengan idea tradisional tentang pertumbuhan ais heksagon dua lapisan dan bahan heksagon dua dimensi secara umum.
Mengapakah saintis memilih mikroskop daya atom bukan sentuhan untuk pemerhatian mereka dan bukannya mikroskop terowong pengimbasan (STM) atau mikroskop elektron penghantaran (TEM)? Seperti yang kita sedia maklum, pilihan itu berkaitan dengan kesukaran mengkaji struktur ais dua dimensi yang berumur pendek dan rapuh. STM sebelum ini telah digunakan untuk mengkaji ais 2D yang ditanam pada pelbagai permukaan, tetapi mikroskop jenis ini tidak sensitif kepada kedudukan nukleus, dan hujungnya boleh menyebabkan ralat pengimejan. TEM, sebaliknya, menunjukkan struktur atom tulang rusuk dengan sempurna. Walau bagaimanapun, untuk mendapatkan imej berkualiti tinggi memerlukan elektron bertenaga tinggi, yang boleh mengubah atau memusnahkan struktur tepi bahan XNUMXD terikat kovalen dengan mudah, apatah lagi tepi yang terikat lebih longgar dalam ais XNUMXD.
Mikroskop daya atom tidak mempunyai kelemahan sedemikian, dan hujung bersalut CO membolehkan kajian air antara muka dengan pengaruh minimum pada molekul air.
Hasil penyelidikan
Imej #1
Ais dua dimensi ditanam di permukaan Au(111) pada suhu kira-kira 120 K, dan ketebalannya ialah 2.5 Γ (1a).
imej ais STM (1c) dan imej transformasi Fourier pantas yang sepadan (disisipkan dalam 1a) menunjukkan struktur heksagon yang tersusun dengan baik dengan periodicity Au(111)-β3 x β3-30Β°. Walaupun rangkaian ais 2D bersambung H selular kelihatan dalam imej STM, topologi terperinci struktur tepi sukar ditentukan. Pada masa yang sama, AFM dengan anjakan frekuensi (Ξf) kawasan sampel yang sama memberikan imej yang lebih baik (1d), yang memungkinkan untuk menggambarkan bahagian struktur berbentuk kerusi dan zigzag. Jumlah panjang kedua-dua varian adalah setanding, tetapi purata panjang rusuk pendahulu adalah lebih panjang sedikit (1b). Rusuk zigzag boleh membesar sehingga 60 Γ panjang, tetapi yang berbentuk kerusi menjadi ditutup dengan kecacatan semasa pembentukan, yang mengurangkan panjang maksimumnya kepada 10-30 Γ .
Seterusnya, pengimejan AFM sistematik telah dijalankan pada ketinggian jarum yang berbeza (2a).
Imej #2
Pada ketinggian hujung tertinggi, apabila isyarat AFM dikuasai oleh daya elektrostatik tertib lebih tinggi, dua set subkelat β3 x β3 dalam ais dwilapis dua dimensi telah dikenal pasti, salah satunya ditunjukkan dalam 2a (dibiarkan).
Pada ketinggian jarum yang lebih rendah, unsur-unsur terang subarray ini mula menunjukkan arah, dan subarray yang lain bertukar menjadi elemen berbentuk V (2a, berpusat).
Pada ketinggian jarum minimum, AFM mendedahkan struktur sarang lebah dengan garisan jelas yang menghubungkan dua sublattices, mengingatkan ikatan-H (2a, di sebelah kanan).
Pengiraan teori fungsi ketumpatan menunjukkan bahawa ais dua dimensi yang ditanam pada permukaan Au(111) sepadan dengan struktur ais dua lapisan yang saling mengunci (2c), terdiri daripada dua lapisan heksagon rata air. Heksagon bagi kedua-dua helaian adalah berkonjugat, dan sudut antara molekul air dalam satah ialah 120Β°.
Dalam setiap lapisan air, separuh molekul air terletak secara mendatar (selari dengan substrat) dan separuh lagi terletak secara menegak (berserenjang dengan substrat), dengan satu OβH menghala ke atas atau ke bawah. Air yang terletak secara menegak dalam satu lapisan menyumbangkan ikatan H kepada air mendatar di lapisan lain, menghasilkan struktur berbentuk H tepu sepenuhnya.
Simulasi AFM menggunakan petua quadrupole (dz 2) (2b) berdasarkan model di atas adalah dalam persetujuan yang baik dengan keputusan eksperimen (2a). Malangnya, ketinggian air mendatar dan menegak yang sama menyukarkan pengecamannya semasa pengimejan STM. Walau bagaimanapun, apabila menggunakan mikroskopi daya atom, molekul kedua-dua jenis air boleh dibezakan dengan jelas (2a ΠΈ 2b kanan) kerana daya elektrostatik peringkat lebih tinggi adalah sangat sensitif terhadap orientasi molekul air.
Ia juga mungkin untuk menentukan arah O-H air mendatar dan menegak melalui interaksi antara daya elektrostatik urutan lebih tinggi dan daya tolakan Pauli, seperti yang ditunjukkan oleh garis merah dalam 2a ΠΈ 2b (tengah).
Imej #3
Dalam imej 3a ΠΈ 3b (Peringkat 1) menunjukkan imej AFM yang diperbesarkan bagi sirip zigzag dan kerusi berlengan, masing-masing. Didapati bahawa tepi zigzag tumbuh sambil mengekalkan struktur asalnya, dan dengan pertumbuhan tepi berbentuk kerusi, tepi dipulihkan dalam struktur berkala 5756 cincin, i.e. apabila struktur tulang rusuk secara berkala mengulang urutan pentagon - heptagon - pentagon - heksagon.
Pengiraan teori fungsi ketumpatan menunjukkan bahawa sirip zigzag yang tidak dibina semula dan sirip kerusi 5756 adalah yang paling stabil. Tepi 5756 terbentuk hasil daripada kesan gabungan yang meminimumkan bilangan ikatan hidrogen tak tepu dan mengurangkan tenaga terikan.
Para saintis ingat bahawa satah asas ais heksagon biasanya berakhir dengan rusuk zigzag, dan tulang rusuk berbentuk kerusi tidak hadir kerana ketumpatan ikatan hidrogen tak tepu yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, dalam sistem kecil atau tempat yang terhad, sirip kerusi boleh mengurangkan tenaganya melalui reka bentuk semula yang betul.
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, apabila pertumbuhan ais pada 120 K dihentikan, sampel segera disejukkan kepada 5 K untuk cuba membekukan struktur tepi metastabil atau peralihan dan memastikan hayat sampel yang agak panjang untuk kajian terperinci menggunakan STM dan AFM. Ia juga mungkin untuk membina semula proses pertumbuhan ais dua dimensi (imej No. 3) terima kasih kepada hujung mikroskop yang berfungsi CO, yang memungkinkan untuk mengesan struktur metastabil dan peralihan.
Dalam kes rusuk zigzag, pentagon individu kadang-kadang dijumpai melekat pada rusuk lurus. Mereka boleh berbaris dalam satu baris, membentuk tatasusunan dengan periodicity 2 x aice (aice ialah pemalar kekisi bagi ais dua dimensi). Pemerhatian ini mungkin menunjukkan bahawa pertumbuhan tepi zigzag dimulakan dengan pembentukan susunan berkala pentagon (3a, langkah 1-3), yang melibatkan penambahan dua pasangan air untuk pentagon (anak panah merah).
Seterusnya, tatasusunan pentagon disambungkan untuk membentuk struktur seperti 56665 (3a, peringkat 4), dan kemudian memulihkan penampilan zigzag asal dengan menambahkan lebih banyak wap air.
Dengan tepi berbentuk kerusi keadaan adalah sebaliknya - tidak ada tatasusunan pentagon, sebaliknya jurang pendek seperti 5656 di tepi agak kerap diperhatikan. Panjang sirip 5656 adalah jauh lebih pendek daripada sirip 5756. Ini mungkin kerana sirip 5656 sangat tertekan dan kurang stabil daripada sirip 5756. Bermula dengan sirip kerusi 5756, 575 cincin ditukar secara tempatan kepada 656 cincin dengan menambah dua wap air (3b, peringkat 2). Seterusnya, gelang 656 tumbuh dalam arah melintang, membentuk tepi jenis 5656 (3b, peringkat 3), tetapi dengan panjang yang terhad disebabkan oleh pengumpulan tenaga ubah bentuk.
Jika satu pasangan air ditambah pada heksagon sirip 5656, ubah bentuk boleh dilemahkan sebahagiannya, dan ini sekali lagi akan membawa kepada pembentukan sirip 5756 (3b, peringkat 4).
Keputusan di atas adalah sangat indikatif, tetapi diputuskan untuk menyokongnya dengan data tambahan yang diperoleh daripada pengiraan dinamik molekul wap air pada permukaan Au (111).
Telah didapati bahawa pulau ais dua lapis 2D terbentuk dengan jayanya dan tanpa halangan di permukaan, yang konsisten dengan pemerhatian eksperimen kami.
Imej #4
Dalam imej 4a Mekanisme pembentukan kolektif jambatan pada rusuk zigzag ditunjukkan langkah demi langkah.
Di bawah adalah bahan media kajian ini dengan penerangan.
Bahan media No 1
Perlu diingat bahawa pentagon tunggal yang dilekatkan pada tepi zigzag tidak boleh bertindak sebagai pusat nukleasi tempatan untuk menggalakkan pertumbuhan.
Bahan media No 2
Sebaliknya, rangkaian pentagon berkala tetapi tidak bersambung pada mulanya terbentuk di tepi zigzag, dan molekul air yang masuk berikutnya secara kolektif cuba menyambungkan pentagon ini, mengakibatkan pembentukan struktur rantai jenis 565. Malangnya, struktur sedemikian tidak diperhatikan semasa pemerhatian praktikal, yang menerangkan jangka hayatnya yang sangat singkat.
Bahan media No 3 dan No 4
Penambahan satu pasangan air menghubungkan struktur jenis 565 dan pentagon bersebelahan, menghasilkan pembentukan struktur jenis 5666.
Struktur jenis 5666 tumbuh secara sisi untuk membentuk struktur jenis 56665 dan akhirnya berkembang menjadi kekisi heksagon yang bersambung sepenuhnya.
Bahan media No 5 dan No 6
Dalam imej 4b pertumbuhan ditunjukkan dalam kes rusuk kerusi berlengan. Penukaran daripada gelang jenis 575 kepada gelang jenis 656 bermula dari lapisan bawah, membentuk struktur komposit 575/656 yang tidak boleh dibezakan daripada sirip jenis 5756 dalam eksperimen, kerana hanya lapisan atas ais dua lapisan boleh diimej. semasa eksperimen.
Bahan media No 7
Jambatan 656 yang terhasil menjadi pusat nukleasi untuk pertumbuhan tulang rusuk 5656.
Bahan media No 8
Menambah satu molekul air pada tepi 5656 menghasilkan struktur molekul tidak berpasangan yang sangat mudah alih.
Bahan media No 9
Dua daripada molekul air yang tidak berpasangan ini kemudiannya boleh bergabung menjadi struktur heptagonal yang lebih stabil, melengkapkan penukaran dari 5656 kepada 5756.
Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa kajian, saya cadangkan melihat .
Epilog
Kesimpulan utama kajian ini ialah tingkah laku struktur yang diperhatikan semasa pertumbuhan mungkin biasa kepada semua jenis ais dua dimensi. Ais heksagon bilayer terbentuk pada pelbagai permukaan hidrofobik dan dalam keadaan terkurung hidrofobik, dan oleh itu boleh dianggap sebagai kristal 2D yang berasingan (2D ais I), yang pembentukannya tidak sensitif kepada struktur asas substrat.
Para saintis secara jujur ββmengatakan bahawa teknik pengimejan mereka belum sesuai untuk bekerja dengan ais tiga dimensi, tetapi hasil kajian ais dua dimensi boleh menjadi asas untuk menjelaskan proses pembentukan relatif isipadunya. Dalam erti kata lain, memahami bagaimana struktur dua dimensi terbentuk adalah asas penting untuk mengkaji struktur tiga dimensi. Untuk tujuan inilah pengkaji merancang untuk menambah baik kaedah mereka pada masa hadapan.
Terima kasih kerana membaca, kekal ingin tahu dan selamat berhujung minggu kawan-kawan. π
Beberapa iklan π
Terima kasih kerana tinggal bersama kami. Adakah anda suka artikel kami? Ingin melihat kandungan yang lebih menarik? Sokong kami dengan membuat pesanan atau mengesyorkan kepada rakan, , analog unik pelayan peringkat permulaan, yang kami cipta untuk anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, sehingga 24 teras dan sehingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - daripada $99! Baca tentang
Sumber: www.habr.com