Kulħadd jaf li l-ilma jseħħ fi tliet stati ta 'aggregazzjoni. Aħna npoġġu l-kitla, u l-ilma jibda jagħli u jevapora, u jdur minn likwidu għal gassuż. Aħna npoġġuha fil-friża, u tibda tinbidel fis-silġ, u b'hekk timxi minn likwidu għal stat solidu. Madankollu, taħt ċerti ċirkostanzi, fwar tal-ilma preżenti fl-arja jista 'jgħaddi immedjatament fil-fażi solida, billi tevita l-fażi likwida. Nafu dan il-proċess bir-riżultat tiegħu - mudelli sbieħ fuq it-twieqi f'jum tax-xitwa ġlata. Id-dilettanti tal-karozzi, meta jorbtu saff ta 'silġ mill-windskrin, ħafna drabi jikkaratterizzaw dan il-proċess billi jużaw epiteti mhux xjentifiċi ħafna, iżda emozzjonali ħafna u ħaj. B'xi mod jew ieħor, id-dettalji tal-formazzjoni ta 'silġ bidimensjonali kienu mgħottija fis-segretezza għal ħafna snin. U reċentement, għall-ewwel darba, tim internazzjonali ta 'xjentisti seta' jivviżwalizza l-istruttura atomika tas-silġ bidimensjonali matul il-formazzjoni tiegħu. Liema sigrieti huma moħbija f'dan il-proċess fiżiku li jidher sempliċi, kif irnexxielhom jikxfu x-xjentisti, u kif huma utli s-sejbiet tagħhom? Ir-rapport tal-grupp tar-riċerka se jgħidilna dwar dan. Mur.
Bażi tar-riċerka
Jekk neżaġeraw, allura prattikament l-oġġetti kollha madwarna huma tridimensjonali. Madankollu, jekk inqisu xi wħud minnhom b'mod aktar metikoluż, nistgħu wkoll insibu oħrajn bidimensjonali. Qoxra ta 'silġ li tifforma fuq il-wiċċ ta' xi ħaġa hija eżempju ewlieni ta 'dan. L-eżistenza ta 'strutturi bħal dawn mhix sigrieta għall-komunità xjentifika, minħabba li ġew analizzati ħafna drabi. Iżda l-problema hija li huwa pjuttost diffiċli li wieħed iħares lejn strutturi metastabbli jew intermedji involuti fil-formazzjoni tas-silġ 2D. Dan minħabba problemi banali - il-fraġilità u l-fraġilità tal-istrutturi li qed jiġu studjati.
Fortunatament, metodi ta 'skanjar moderni jippermettu li l-kampjuni jiġu analizzati b'impatt minimu, li jippermetti li tinkiseb data massima f'perjodu qasir ta' żmien, minħabba r-raġunijiet ta 'hawn fuq. F'dan l-istudju, ix-xjentisti użaw mikroskopija tal-forza atomika mingħajr kuntatt, bil-ponta tal-labra tal-mikroskopju miksija bil-monossidu tal-karbonju (CO). Il-kombinazzjoni ta 'dawn l-għodod tal-iskanjar tagħmilha possibbli li jinkisbu immaġini f'ħin reali tal-istrutturi tat-tarf ta' silġ eżagonali bi saffi bi dimensjonijiet imkabbar fuq wiċċ tad-deheb (Au).
Il-mikroskopija wriet li waqt il-formazzjoni ta 'silġ bidimensjonali, żewġ tipi ta' truf (segmenti li jgħaqqdu żewġ vertiċi ta 'poligonu) fl-istess ħin jeżistu flimkien fl-istruttura tiegħu: żigżag (żigżag) u forma ta' siġġu (pultruna).
Pultruna (xellug) u żigżag (lemin) truf bl-użu graphene bħala eżempju.
F'dan l-istadju, il-kampjuni ġew iffriżati malajr, u ppermetta li l-istruttura atomika tiġi eżaminata fid-dettall. Sar ukoll immudellar, li r-riżultati tiegħu fil-biċċa l-kbira ikkoinċidew mar-riżultati ta 'osservazzjoni.
Instab li fil-każ tal-formazzjoni ta 'kustilji taż-żigżag, molekula addizzjonali tal-ilma hija miżjuda mat-tarf eżistenti, u l-proċess kollu huwa regolat mill-mekkaniżmu ta' pont. Iżda fil-każ tal-formazzjoni ta 'kustilji ta' pultruna, ma nstabu l-ebda molekuli addizzjonali, li jikkuntrasta bil-qawwa ma 'ideat tradizzjonali dwar it-tkabbir ta' silġ eżagonali b'żewġ saffi u sustanzi eżagonali bidimensjonali b'mod ġenerali.
Għaliex ix-xjentisti għażlu mikroskopju tal-forza atomika mingħajr kuntatt għall-osservazzjonijiet tagħhom aktar milli mikroskopju tal-iskannjar tal-mini (STM) jew mikroskopju elettroniku tat-trażmissjoni (TEM)? Kif diġà nafu, l-għażla hija relatata mad-diffikultà li jiġu studjati l-istrutturi ta 'ħajja qasira u fraġli tas-silġ bidimensjonali. L-STM intuża qabel biex jistudja s-silġ 2D imkabbar fuq diversi uċuħ, iżda dan it-tip ta 'mikroskopju mhuwiex sensittiv għall-pożizzjoni tan-nuklei, u l-ponta tagħha tista' tikkawża żbalji fl-immaġini. TEM, għall-kuntrarju, juri perfettament l-istruttura atomika tal-kustilji. Madankollu, il-kisba ta 'immaġni ta' kwalità għolja teħtieġ elettroni ta 'enerġija għolja, li jistgħu faċilment ibiddlu jew saħansitra jeqirdu l-istruttura tat-tarf ta' materjali XNUMXD magħqudin b'mod kovalenti, biex ma nsemmux it-truf magħqudin b'mod aktar laxk fis-silġ XNUMXD.
Mikroskopju tal-forza atomika m'għandux tali żvantaġġi, u ponta miksija b'CO tippermetti l-istudju tal-ilma interfacial b'influwenza minima fuq il-molekuli tal-ilma.
Riżultati tar-riċerka
Immaġni #1
Is-silġ bidimensjonali tkabbar fuq il-wiċċ Au(111) f'temperatura ta 'madwar 120 K, u l-ħxuna tiegħu kienet 2.5 Å (1а).
Stampi STM tas-silġ (1c) u l-immaġni ta' trasformazzjoni ta' Fourier veloċi korrispondenti (inset in 1а) juru struttura eżagonali ordnata tajjeb b'perjodiċità ta 'Au(111)-√3 x √3-30°. Għalkemm in-netwerk ċellulari konness bl-H tas-silġ 2D huwa viżibbli fl-immaġni STM, it-topoloġija dettaljata tal-istrutturi tat-tarf hija diffiċli biex tiddetermina. Fl-istess ħin, AFM bi bidla fil-frekwenza (Δf) tal-istess żona tal-kampjun ta immaġini aħjar (1d), li għamilha possibbli li jiġu viżwalizzati sezzjonijiet tal-istruttura f'forma ta 'siġġu u żigżag. It-tul totali taż-żewġ varjanti huwa komparabbli, iżda t-tul medju tal-kustilja tal-predeċessur huwa kemmxejn itwal (1b). Il-kustilji taż-żigżag jistgħu jikbru sa 60 Å fit-tul, iżda dawk f'forma ta 'siġġu jsiru koperti b'difetti waqt il-formazzjoni, li jnaqqas it-tul massimu tagħhom għal 10-30 Å.
Sussegwentement, twettqet immaġini AFM sistematiċi f'għoli differenti tal-labra (2а).
Immaġni #2
Fl-ogħla għoli tal-ponta, meta s-sinjal AFM huwa ddominat minn forza elettrostatika ta 'ordni ogħla, ġew identifikati żewġ settijiet ta' sublattices √3 x √3 f'silġ bi saffi bidimensjonali, li wieħed minnhom jidher f' 2а (xellug).
F'għoli aktar baxxi tal-labra, l-elementi qawwija ta 'din is-subbarra jibdew juru direzzjonalità, u s-subbarray l-ieħor jinbidel f'element f'forma ta' V (2a, iċċentrat).
Fl-għoli minimu tal-labra, AFM jiżvela struttura tax-xehda b'linji ċari li jgħaqqdu żewġ sublattices, reminixxenti ta 'H-bonds (2a, fuq il-lemin).
Il-kalkoli tat-teorija funzjonali tad-densità juru li s-silġ bidimensjonali mkabbar fuq il-wiċċ Au(111) jikkorrispondi għal struttura tas-silġ b'żewġ saffi interlocking (2s), li jikkonsistu f'żewġ saffi eżagonali ċatti ta 'ilma. Il-ħeksagoni taż-żewġ folji huma konjugati, u l-angolu bejn il-molekuli tal-ilma fil-pjan huwa 120°.
F'kull saff ta 'ilma, nofs il-molekuli ta' l-ilma jinsabu orizzontalment (parallel mas-sottostrat) u n-nofs l-ieħor jimteddu vertikalment (perpendikulari mas-sottostrat), b'O–H wieħed jipponta 'l fuq jew 'l isfel. L-ilma li jinsab vertikalment f'saff wieħed jagħti bond H għal ilma orizzontali f'saff ieħor, li jirriżulta fi struttura ta 'forma ta' H kompletament saturata.
Simulazzjoni AFM bl-użu ta' ponta quadrupole (dz 2) (2b) ibbażat fuq il-mudell ta' hawn fuq huwa fi qbil tajjeb mar-riżultati sperimentali (2a). Sfortunatament, l-għoli simili ta 'ilma orizzontali u vertikali jagħmlu l-identifikazzjoni tagħhom diffiċli waqt l-immaġini STM. Madankollu, meta tuża mikroskopija tal-forza atomika, il-molekuli taż-żewġ tipi ta 'ilma huma distinti b'mod ċar (2a и 2b dritt) minħabba li l-forza elettrostatika ta 'ordni ogħla hija sensittiva ħafna għall-orjentazzjoni tal-molekuli tal-ilma.
Kien ukoll possibbli li tiġi ddeterminata aktar id-direzzjonalità O-H tal-ilma orizzontali u vertikali permezz tal-interazzjoni bejn forzi elettrostatiċi ta 'ordni ogħla u forzi repulsivi Pauli, kif muri mill-linji ħomor f' 2а и 2b (ċentru).
Immaġni #3
Fl-immaġini 3а и 3b (Stadju 1) turi immaġini AFM imkabbra taż-żigżag u xewk tal-pultruna, rispettivament. Instab li t-tarf taż-żigżag jikber filwaqt li jżomm l-istruttura oriġinali tiegħu, u bit-tkabbir tat-tarf forma ta 'siġġu, it-tarf huwa restawrat fl-istruttura perjodika ta' 5756 ċrieki, i.e. meta l-istruttura tal-kustilji perjodikament tirrepeti s-sekwenza pentagon - heptagon - pentagon - hexagon.
Il-kalkoli tat-teorija funzjonali tad-densità juru li l-ġewnaħ taż-żigżag mhux ikkostruwit u l-pinen tas-siġġu 5756 huma l-aktar stabbli. It-tarf 5756 huwa ffurmat bħala riżultat ta 'effetti magħquda li jimminimizzaw in-numru ta' bonds tal-idroġenu mhux saturati u jnaqqsu l-enerġija tar-razza.
Ix-xjentisti jfakkru li l-pjani bażali tas-silġ eżagonali normalment jispiċċaw f'kustilji taż-żigżag, u l-kustilji f'forma ta 'siġġu huma assenti minħabba d-densità ogħla ta' bonds tal-idroġenu mhux saturati. Madankollu, f'sistemi żgħar jew fejn l-ispazju huwa limitat, ix-xewk tas-siġġu jistgħu jnaqqsu l-enerġija tagħhom permezz ta 'disinn mill-ġdid xieraq.
Kif issemma qabel, meta t-tkabbir tas-silġ f'120 K twaqqaf, il-kampjun tkessaħ immedjatament għal 5 K biex jipprova jiffriża strutturi metastabbli jew tat-tarf ta 'transizzjoni u jiżgura ħajja tal-kampjun relattivament twila għal studju dettaljat bl-użu ta' STM u AFM. Kien ukoll possibbli li jiġi rikostruzzjonit il-proċess ta 'tkabbir tas-silġ bidimensjonali (immaġni Nru 3) grazzi għall-ponta tal-mikroskopju CO-funzjonalizzat, li għamilha possibbli li jinstabu strutturi metastabbli u ta' transizzjoni.
Fil-każ tal-kustilji taż-żigżag, xi kultant instabu pentagoni individwali mwaħħla mal-kustilji dritti. Huma jistgħu jingħaqdu f'ringiela, u jiffurmaw firxa b'perjodiċità ta '2 x silġ (silġ hija l-kostanti tal-kannizzata tas-silġ bidimensjonali). Din l-osservazzjoni tista’ tindika li t-tkabbir tat-truf taż-żigzag jinbeda bil-formazzjoni ta’ firxa perjodika ta’ pentagoni (3а, pass 1-3), li jinvolvi li żżid żewġ pari ta 'ilma għall-pentagon (vleġeġ ħomor).
Sussegwentement, il-firxa ta' pentagoni hija konnessa biex tifforma struttura bħal 56665 (3а, stadju 4), u mbagħad jerġa 'jġib id-dehra oriġinali taż-żigżag billi żżid aktar fwar tal-ilma.
Bi truf forma ta 'siġġu s-sitwazzjoni hija l-oppost - m'hemm l-ebda matriċi ta' pentagoni, iżda minflok lakuni qosra bħal 5656 fuq it-tarf huma pjuttost ta 'spiss osservati. It-tul tal-pinen 5656 huwa iqsar b'mod sinifikanti minn dak tal-5756. Dan huwa possibbilment minħabba li l-pinen 5656 huwa enfasizzat ħafna u inqas stabbli mill-pinen 5756. Nibdew bil-pinen tas-siġġu 5756, 575 ċrieki huma kkonvertiti lokalment għal 656 ċrieki billi żżid żewġ ċirku. fwar tal-ilma (3b, stadju 2). Sussegwentement, is-656 ċrieki jikbru fid-direzzjoni trasversali, u jiffurmaw tarf tat-tip 5656 (3b, stadju 3), iżda b'tul limitat minħabba l-akkumulazzjoni ta 'enerġija ta' deformazzjoni.
Jekk jiġi miżjud par ta 'ilma mal-ħeksagon ta' 5656 fin, id-deformazzjoni tista 'tiddgħajjef parzjalment, u dan jerġa' jwassal għall-formazzjoni ta 'fin 5756 (3b, stadju 4).
Ir-riżultati ta 'hawn fuq huma indikattivi ħafna, iżda ġie deċiż li jiġu appoġġjati b'dejta addizzjonali miksuba minn kalkoli ta' dinamika molekulari tal-fwar tal-ilma fuq il-wiċċ Au (111).
Instab li l-gżejjer tas-silġ b'saff doppju 2D iffurmaw b'suċċess u mingħajr xkiel fuq il-wiċċ, li huwa konsistenti mal-osservazzjonijiet sperimentali tagħna.
Immaġni #4
Fl-immaġini 4а Il-mekkaniżmu ta 'formazzjoni kollettiva ta' pontijiet fuq kustilji taż-żigżag huwa muri pass pass.
Hawn taħt hemm materjali tal-midja dwar dan l-istudju b'deskrizzjoni.
Materjal tal-midja Nru 1
Ta 'min jinnota li pentagon wieħed imwaħħal ma' xifer taż-żigżag ma jistax jaġixxi bħala ċentru ta 'nukleazzjoni lokali biex jippromwovi t-tkabbir.
Materjal tal-midja Nru 2
Minflok, netwerk perjodiku iżda mhux konness ta 'pentagoni inizjalment jifforma fuq it-tarf taż-żigżag, u molekuli ta' ilma sussegwenti li jidħlu kollettivament jippruvaw jgħaqqdu dawn il-pentagoni, li jirriżultaw fil-formazzjoni ta 'struttura ta' katina tat-tip 565. Sfortunatament, tali struttura ma ġietx osservata matul osservazzjonijiet prattiċi, li jispjega l-ħajja estremament qasira tagħha.
Materjal tal-midja Nru 3 u Nru 4
Iż-żieda ta 'par ilma wieħed jgħaqqad l-istruttura tat-tip 565 u l-pentagon li jmissu magħhom, li tirriżulta fil-formazzjoni tal-istruttura tat-tip 5666.
L-istruttura tat-tip 5666 tikber lateralment biex tifforma l-istruttura tat-tip 56665 u eventwalment tiżviluppa f'kannizzata eżagonali konnessa bis-sħiħ.
Materjal tal-midja Nru 5 u Nru 6
Fl-immaġini 4b tkabbir huwa muri fil-każ ta 'kustilja pultruna. Il-konverżjoni minn ċrieki tat-tip 575 għal ċrieki tat-tip 656 tibda mis-saff tal-qiegħ, li tifforma struttura komposta 575/656 li ma tistax tiġi distinta minn xewk tat-tip 5756 fl-esperimenti, peress li s-saff ta 'fuq tas-silġ b'żewġ saffi biss jista' jiġi immaġinat matul l-esperimenti.
Materjal tal-midja Nru 7
Il-pont li jirriżulta 656 isir iċ-ċentru tan-nukleazzjoni għat-tkabbir tal-kustilja 5656.
Materjal tal-midja Nru 8
Iż-żieda ta 'molekula waħda ta' l-ilma ma 'tarf 5656 tirriżulta fi struttura ta' molekula mhux imqabbda mobbli ħafna.
Materjal tal-midja Nru 9
Tnejn minn dawn il-molekuli ta 'l-ilma mhux imqabbla jistgħu sussegwentement jingħaqdu fi struttura eptagonali aktar stabbli, u tlesti l-konverżjoni minn 5656 għal 5756.
Għal familjarità aktar dettaljata mal-sfumaturi tal-istudju, nirrakkomanda li tħares lejn .
Epilogue
Il-konklużjoni ewlenija ta 'dan l-istudju hija li l-imġieba osservata ta' strutturi waqt it-tkabbir tista 'tkun komuni għat-tipi kollha ta' silġ bidimensjonali. Is-silġ eżagonali b'żewġ saffi jifforma fuq diversi uċuħ idrofobiċi u taħt kundizzjonijiet ta 'konfinament idrofobiku, u għalhekk jista' jitqies bħala kristall 2D separat (silġ 2D I), li l-formazzjoni tiegħu hija insensittiva għall-istruttura sottostanti tas-sottostrat.
Ix-xjentisti jgħidu onestament li t-teknika tal-immaġini tagħhom għadha mhix adattata biex taħdem mas-silġ tridimensjonali, iżda r-riżultati tal-istudju tas-silġ bidimensjonali jistgħu jservu bħala l-bażi biex jispjegaw il-proċess ta 'formazzjoni tal-qarib volumetriku tiegħu. Fi kliem ieħor, il-fehim ta 'kif jiffurmaw strutturi bidimensjonali huwa pedament importanti għall-istudju ta' dawk tridimensjonali. Huwa għal dan il-għan li r-riċerkaturi jippjanaw li jtejbu l-metodu tagħhom fil-futur.
Grazzi talli qrajt, ibqgħu kurjużi u jkollhom ġimgħa mill-aqwa guys. 🙂
Xi reklami 🙂
Grazzi talli bqajt magħna. Tħobb l-artikoli tagħna? Trid tara aktar kontenut interessanti? Appoġġuna billi tagħmel ordni jew tirrakkomanda lill-ħbieb, , analogu uniku ta 'servers ta' livell ta 'dħul, li ġie ivvintat minna għalik: (disponibbli b'RAID1 u RAID10, sa 24 core u sa 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 darbiet orħos fiċ-ċentru tad-dejta Equinix Tier IV f'Amsterdam? Hawn biss fl-Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - minn $99! Aqra dwar
Sors: www.habr.com