विन्डोमा ढाँचाहरू वा मोटर चालकहरूको प्रकोप: कसरी दुई-आयामी बरफ बढ्छ

सबैलाई थाहा छ कि पानी जम्मा हुने तीन अवस्थाहरूमा हुन्छ। हामीले केतली राख्छौं, र पानी उम्लन र वाष्पीकरण हुन थाल्छ, तरलबाट ग्यासमा परिणत हुन्छ। हामीले यसलाई फ्रिजमा राख्छौं, र यो बरफमा परिणत हुन थाल्छ, यसैले तरलबाट ठोस अवस्थामा सर्छ। यद्यपि, निश्चित परिस्थितिहरूमा, हावामा रहेको जल वाष्प तुरुन्तै तरल चरणलाई बाइपास गर्दै ठोस चरणमा जान सक्छ। हामी यस प्रक्रियालाई यसको नतिजाद्वारा थाहा छ - शीत जाडोको दिनमा विन्डोजहरूमा सुन्दर ढाँचाहरू। कार उत्साहीहरू, विन्डशील्डबाट बरफको तह स्क्र्याप गर्दा, प्राय: यो प्रक्रिया धेरै वैज्ञानिक होइन, तर धेरै भावनात्मक र ज्वलंत एपीथेट्स प्रयोग गरेर विशेषता गर्दछ। एक तरिका वा अर्को, दुई-आयामी बरफ को गठन को विवरण धेरै वर्ष को लागी गोप्य थियो। र भर्खरै, पहिलो पटक, वैज्ञानिकहरूको अन्तर्राष्ट्रिय टोलीले यसको गठनको क्रममा दुई-आयामी बरफको परमाणु संरचनाको कल्पना गर्न सक्षम भएको थियो। यो सामान्य देखिने भौतिक प्रक्रियामा के रहस्य लुकेका छन्, कसरी वैज्ञानिकहरूले तिनीहरूलाई उजागर गर्न व्यवस्थापन गरे, र तिनीहरूका निष्कर्षहरू कसरी उपयोगी छन्? यसबारे अनुसन्धान समूहको प्रतिवेदनले बताउनेछ । जानुहोस्।

अनुसन्धानको आधार

यदि हामी बढाइचढाइ गर्छौं भने, हाम्रो वरपरका सबै वस्तुहरू त्रि-आयामी हुन्। यद्यपि, यदि हामीले तीमध्ये केहीलाई अझ सावधानीपूर्वक विचार गर्यौं भने, हामी दुई-आयामीहरू पनि फेला पार्न सक्छौं। कुनै चीजको सतहमा बन्ने बरफको क्रस्ट यसको प्रमुख उदाहरण हो। त्यस्ता संरचनाहरूको अस्तित्व वैज्ञानिक समुदायको लागि गोप्य छैन, किनभने तिनीहरू धेरै पटक विश्लेषण गरिएको छ। तर समस्या यो हो कि 2D बरफको गठनमा संलग्न मेटास्टेबल वा मध्यवर्ती संरचनाहरू कल्पना गर्न धेरै गाह्रो छ। यो साधारण समस्याहरूको कारण हो - संरचनाहरूको कमजोरी र कमजोरी अध्ययन भइरहेको छ।

सौभाग्य देखि, आधुनिक स्क्यानिङ विधिहरूले नमूनाहरूलाई न्यूनतम प्रभावको साथ विश्लेषण गर्न अनुमति दिन्छ, जसले माथिका कारणहरूले गर्दा छोटो अवधिमा अधिकतम डेटा प्राप्त गर्न अनुमति दिन्छ। यस अध्ययनमा, वैज्ञानिकहरूले गैर-सम्पर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोपी प्रयोग गरे, माइक्रोस्कोप सुईको टिपको साथ कार्बन मोनोअक्साइड (CO) लेपित। यी स्क्यानिङ उपकरणहरूको संयोजनले सुन (Au) सतहमा बढेको दुई-आयामी बिलेयर हेक्सागोनल बरफको किनारा संरचनाहरूको वास्तविक-समय छविहरू प्राप्त गर्न सम्भव बनाउँछ।

माइक्रोस्कोपीले देखाएको छ कि दुई-आयामी बरफको निर्माणको क्रममा, दुई प्रकारका किनारहरू (बहुभुजको दुईवटा ठाडोहरू जोड्ने खण्डहरू) यसको संरचनामा एकैसाथ रहन्छन्: zigzag (zigzag) र कुर्सी आकारको (armchair).

उदाहरणको रूपमा ग्राफिन प्रयोग गरेर आर्मचेयर (बाँया) र जिग्ज्याग (दायाँ) किनारहरू।

यस चरणमा, नमूनाहरू तुरुन्तै जमे भएका थिए, परमाणु संरचनालाई विस्तृत रूपमा जाँच गर्न अनुमति दिँदै। मोडलिङ पनि गरिएको थियो, जसको परिणामहरू धेरै हदसम्म अवलोकन परिणामहरूसँग मेल खान्छ।

यो फेला पर्यो कि zigzag रिब्स को गठन को मामला मा, एक अतिरिक्त पानी अणु अवस्थित किनारामा थपिएको छ, र सम्पूर्ण प्रक्रिया ब्रिजिंग संयन्त्र द्वारा विनियमित छ। तर आर्मचेयर रिब्स को गठन को मामला मा, कुनै अतिरिक्त अणुहरु पत्ता लगाइएन, जुन दुई-तह हेक्सागोनल बरफ र सामान्य मा दुई-आयामी हेक्सागोनल पदार्थ को वृद्धि को बारे मा परम्परागत विचार संग कडा विरोधाभास छ।

किन वैज्ञानिकहरूले स्क्यानिङ टनेलिङ माइक्रोस्कोप (STM) वा ट्रान्समिशन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप (TEM) भन्दा आफ्नो अवलोकनका लागि गैर-सम्पर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोप रोजे? हामीले पहिले नै थाहा पाएको रूपमा, छनोट दुई-आयामी बर्फको अल्पकालीन र कमजोर संरचनाहरू अध्ययन गर्ने कठिनाईसँग सम्बन्धित छ। STM पहिले विभिन्न सतहहरूमा बढेको 2D बरफहरू अध्ययन गर्न प्रयोग गरिएको थियो, तर यस प्रकारको माइक्रोस्कोप न्यूक्लीको स्थितिमा संवेदनशील हुँदैन, र यसको टिपले इमेजिङ त्रुटिहरू निम्त्याउन सक्छ। TEM, यसको विपरीत, पूर्ण रूपमा रिब को परमाणु संरचना देखाउँछ। यद्यपि, उच्च-गुणस्तरका छविहरू प्राप्त गर्न उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रोनहरू चाहिन्छ, जसले सजिलैसँग कोभ्यालेन्टली बन्डेड XNUMXD सामग्रीको किनारा संरचनालाई परिवर्तन गर्न वा नष्ट गर्न सक्छ, XNUMXD बरफमा थप ढिलो बाँडिएको किनारहरू उल्लेख नगर्न।

एक परमाणु बल माइक्रोस्कोपमा त्यस्ता हानिहरू छैनन्, र एक CO-लेपित टिपले पानीको अणुहरूमा न्यूनतम प्रभावको साथ इन्टरफेसियल पानीको अध्ययन गर्न अनुमति दिन्छ।

अनुसन्धान परिणामहरू

छवि #1

दुई-आयामी बरफ Au(111) सतहमा लगभग 120 K को तापक्रममा बढेको थियो, र यसको मोटाई 2.5 Å (1).

बरफको STM छविहरू (1c) र सम्बन्धित द्रुत फुरियर रूपान्तरण छवि (इनसेट इन 1) Au(111)-√3 x √3-30° को आवधिकताको साथ राम्रोसँग क्रमबद्ध हेक्सागोनल संरचना देखाउनुहोस्। यद्यपि 2D बरफको सेलुलर एच-जडित नेटवर्क STM छविमा देखिने छ, किनारा संरचनाहरूको विस्तृत टोपोलोजी निर्धारण गर्न गाह्रो छ। एकै समयमा, समान नमूना क्षेत्रको फ्रिक्वेन्सी शिफ्ट (Δf) सँग AFM ले राम्रो छविहरू दियो (1d), जसले संरचनाको कुर्सी-आकार र zigzag खण्डहरू कल्पना गर्न सम्भव बनायो। दुबै भेरियन्टहरूको कुल लम्बाइ तुलनात्मक छ, तर पूर्ववर्ती रिबको औसत लम्बाइ थोरै लामो छ (1b)। Zigzag रिबहरू लम्बाइमा 60 Å सम्म बढ्न सक्छ, तर कुर्सीको आकार भएकाहरू गठनको क्रममा दोषहरूले ढाक्छन्, जसले तिनीहरूको अधिकतम लम्बाइ 10-30 Å सम्म घटाउँछ।

अर्को, व्यवस्थित AFM इमेजिङ विभिन्न सुई उचाइहरूमा गरिएको थियो (2).

छवि #2

उच्चतम टिप उचाइमा, जब AFM संकेत उच्च अर्डर इलेक्ट्रोस्ट्याटिक बल द्वारा हावी हुन्छ, दुई-आयामी bilayer बरफमा √3 x √3 sublattices को दुई सेट पहिचान गरियो, जसमध्ये एउटा मा देखाइएको छ। 2 (बायाँ)।

तल्लो सुई उचाइमा, यस सबरेको उज्यालो तत्वहरूले दिशात्मकता देखाउन थाल्छ, र अर्को सबरे V आकारको तत्वमा परिणत हुन्छ (2aकेन्द्रित)।

न्यूनतम सुईको उचाइमा, AFM ले दुईवटा सबलाटिसहरू जोड्ने स्पष्ट रेखाहरू भएको हनीकोम्ब संरचना प्रकट गर्दछ, H-bonds को सम्झना दिलाउने (2a, दायाँ मा)।

घनत्व कार्यात्मक सिद्धान्त गणनाहरूले देखाउँछ कि Au(111) सतहमा बढेको दुई-आयामी बरफ एक इन्टरलकिङ दुई-तह बरफ संरचनासँग मेल खान्छ (2.०с), पानीको दुई समतल हेक्सागोनल तहहरू मिलेर बनेको छ। दुई पानाहरूको हेक्सागनहरू संयुग्मित छन्, र विमानमा पानीको अणुहरू बीचको कोण 120° छ।

पानीको प्रत्येक तहमा, पानीको आधा अणुहरू तेर्सो रूपमा (सब्सट्रेटको समानान्तर) र अर्को आधा ठाडो रूपमा (सब्सट्रेटमा लम्बवत) हुन्छ, एउटा O–H माथि वा तल देखाउँदै। एक तहमा ठाडो रूपमा राखिएको पानीले अर्को तहमा तेर्सो पानीमा एच-बन्ड दान गर्छ, परिणामस्वरूप पूर्ण रूपमा संतृप्त H-आकारको संरचना हुन्छ।

quadrupole (dz 2) टिप प्रयोग गरेर AFM सिमुलेशन (2bमाथिको मोडेलमा आधारित प्रयोगात्मक परिणामहरूसँग राम्रो सम्झौतामा छ (2a)। दुर्भाग्यवश, तेर्सो र ठाडो पानीको समान उचाइहरूले एसटीएम इमेजिङको समयमा तिनीहरूको पहिचान गर्न गाह्रो बनाउँछ। यद्यपि, परमाणु बल माइक्रोस्कोपी प्रयोग गर्दा, दुवै प्रकारका पानीका अणुहरू स्पष्ट रूपमा छुट्याउन सकिन्छ (2a и 2b दायाँ) किनभने उच्च अर्डर इलेक्ट्रोस्टेटिक बल पानीको अणुहरूको अभिमुखीकरणमा धेरै संवेदनशील हुन्छ।

उच्च अर्डर इलेक्ट्रोस्ट्याटिक बलहरू र पाउली रिपल्सिव फोर्सहरू बीचको अन्तरक्रिया मार्फत तेर्सो र ठाडो पानीको OH दिशात्मकता निर्धारण गर्न पनि सम्भव थियो, जस्तै रातो रेखाहरूले देखाएको छ। 2 и 2b (केन्द्र)।

छवि #3

तस्बिरहरूमा 3 и 3b (चरण 1) क्रमशः zigzag र armchair fins को विस्तारित AFM छविहरू देखाउँछ। यो फेला पर्यो कि zigzag किनारा यसको मूल संरचना कायम राख्दै बढ्छ, र कुर्सी आकारको किनाराको वृद्धि संग, किनारा 5756 औंठीको आवधिक संरचनामा पुनर्स्थापित हुन्छ, अर्थात्। जब रिब्सको संरचनाले आवधिक रूपमा अनुक्रम पेन्टागन - हेप्टागन - पेन्टागन - हेक्सागन दोहोर्याउँछ।

घनत्व कार्यात्मक सिद्धान्त गणनाहरूले देखाउँछ कि पुनर्निर्माण नगरिएको जिग्ज्याग फिन र 5756 कुर्सी फिन सबैभन्दा स्थिर छन्। 5756 किनारा संयुक्त प्रभावहरूको परिणामको रूपमा बनाइएको छ जसले असंतृप्त हाइड्रोजन बन्डहरूको संख्यालाई कम गर्छ र तनाव ऊर्जा कम गर्दछ।

वैज्ञानिकहरूले हेक्सागोनल बरफको बेसल प्लेनहरू सामान्यतया जिग्ज्याग रिबहरूमा समाप्त हुन्छ, र असंतृप्त हाइड्रोजन बन्डहरूको उच्च घनत्वको कारणले कुर्सी-आकारको रिबहरू अनुपस्थित हुन्छन् भनेर याद गर्छन्। यद्यपि, साना प्रणालीहरूमा वा जहाँ ठाउँ सीमित छ, कुर्सीका पखेटाहरूले उचित पुन: डिजाइन मार्फत आफ्नो ऊर्जा घटाउन सक्छन्।

माथि उल्लेख गरिएझैं, जब 120 K मा बरफ वृद्धि रोकियो, नमूना तुरुन्तै 5 K मा चिसो गरियो मेटास्टेबल वा ट्रान्जिसन एज संरचनाहरू फ्रिज गर्न र STM र AFM प्रयोग गरी विस्तृत अध्ययनको लागि अपेक्षाकृत लामो नमूना जीवन सुनिश्चित गर्न। दुई-आयामी बरफ (छवि नम्बर 3) को विकास प्रक्रिया पुन: निर्माण गर्न पनि सम्भव थियो CO-कार्यात्मक माइक्रोस्कोप टिपको लागि धन्यवाद, जसले मेटास्टेबल र संक्रमण संरचनाहरू पत्ता लगाउन सम्भव बनायो।

जिग्ज्याग रिब्सको अवस्थामा, व्यक्तिगत पेन्टागनहरू कहिलेकाहीँ सीधा रिबहरूसँग जोडिएको पाइन्छ। तिनीहरूले पङ्क्तिमा 2 x को आवधिकताको साथ एर्रे बनाउन सक्छन् aice (aice दुई-आयामी बरफको जाली स्थिरता हो)। यो अवलोकनले संकेत गर्न सक्छ कि zigzag किनाराहरूको वृद्धि पेन्टागनको आवधिक एरेको गठनबाट सुरु भएको हो (3, चरण 1-3), जसमा पेन्टागन (रातो तीरहरू) को लागि दुईवटा पानी जोडीहरू थप्नु समावेश छ।

अर्को, पेन्टागनको एरे 56665 जस्तै संरचना बनाउन जोडिएको छ (3, चरण 4), र त्यसपछि थप पानी भाप थपेर मूल zigzag उपस्थिति पुनर्स्थापित गर्दछ।

कुर्सी-आकारको किनाराहरूसँग स्थिति उल्टो छ - त्यहाँ पेन्टागनहरूको कुनै एरेहरू छैनन्, तर यसको सट्टा किनारमा 5656 जस्ता छोटो अन्तरहरू प्रायः अवलोकन गरिन्छ। 5656 फिनको लम्बाइ 5756 को भन्दा धेरै छोटो छ। यो सम्भवतः 5656 फिन 5756 भन्दा धेरै तनावपूर्ण र कम स्थिर भएको हुन सक्छ। 5756 कुर्सी फिनबाट सुरु गर्दै, 575 वटा घण्टीहरूलाई स्थानीय रूपमा दुईवटा जोडेर 656 औंठीमा रूपान्तरण गरिन्छ। पानीको बाफ (3b, चरण २)। अर्को, 2 औंठीहरू ट्रान्सभर्स दिशामा बढ्छन्, 656 प्रकारको किनारा बनाउँछन् (3b, चरण 3), तर विरूपण ऊर्जा को संचय को कारण एक सीमित लम्बाइ संग।

यदि 5656 फिनको हेक्सागनमा एउटा पानीको जोडी थपियो भने, विरूपण आंशिक रूपमा कमजोर हुन सक्छ, र यसले फेरि 5756 फिनको गठनमा नेतृत्व गर्नेछ (3b, चरण 4)।

माथिका नतिजाहरू धेरै सूचक छन्, तर तिनीहरूलाई Au (111) सतहमा पानीको वाष्पको आणविक गतिशीलता गणनाबाट प्राप्त अतिरिक्त डेटाको साथ समर्थन गर्ने निर्णय गरियो।

यो फेला पर्यो कि XNUMXD डबल-लेयर बरफ टापुहरू सतहमा सफलतापूर्वक र निर्बाध रूपमा गठन भयो, जुन हाम्रो प्रयोगात्मक अवलोकनहरूसँग अनुरूप छ।

छवि #4

छवि मा 4 जिग्ज्याग रिबहरूमा पुलहरूको सामूहिक गठनको संयन्त्र चरणबद्ध रूपमा देखाइएको छ।

तल यस अध्ययनमा विवरण सहित मिडिया सामग्रीहरू छन्।

मिडिया सामग्री नम्बर १

यो ध्यान दिन लायक छ कि zigzag किनारामा संलग्न एकल पेन्टागनले विकास प्रवर्द्धन गर्न स्थानीय न्यूक्लिएशन केन्द्रको रूपमा काम गर्न सक्दैन।

मिडिया सामग्री नम्बर १

यसको सट्टा, पेन्टागनहरूको आवधिक तर जडान नभएको नेटवर्क सुरुमा zigzag किनारामा बनाउँछ, र त्यसपछि आउने पानीका अणुहरूले सामूहिक रूपमा यी पेन्टागनहरू जोड्ने प्रयास गर्छन्, परिणामस्वरूप 565-प्रकारको चेन संरचनाको गठन हुन्छ। दुर्भाग्यवश, यस्तो संरचना यस अवधिमा अवलोकन गरिएको छैन। व्यावहारिक अवलोकनहरू, जसले यसको अत्यन्त छोटो जीवनकाल बताउँछ।

मिडिया सामग्री नम्बर 3 र नम्बर 4



एउटा पानी जोडीको थपले 565 प्रकारको संरचना र छेउछाउको पेन्टागनलाई जोड्दछ, परिणामस्वरूप 5666 प्रकारको संरचनाको गठन हुन्छ।

5666 प्रकारको संरचना 56665 प्रकारको संरचना बनाउनको लागि पार्श्व रूपमा बढ्छ र अन्ततः पूर्ण रूपमा जोडिएको हेक्सागोनल जालीमा विकसित हुन्छ।

मिडिया सामग्री नम्बर 5 र नम्बर 6



छवि मा 4b आर्मचेयर रिबको अवस्थामा वृद्धि देखाइएको छ। प्रकार 575 रिंगहरूबाट 656 रिंगहरू टाइप गर्न तलको तहबाट सुरु हुन्छ, एउटा समग्र 575/656 संरचना बनाउँछ जुन प्रयोगहरूमा 5756 प्रकारको फिनबाट छुट्याउन सकिँदैन, किनकि दुई-तहको बरफको माथिल्लो तह मात्र चित्रण गर्न सकिन्छ। प्रयोगहरु को समयमा।

मिडिया सामग्री नम्बर १

परिणामस्वरूप पुल 656 5656 रिबको विकासको लागि न्यूक्लिएशन केन्द्र बन्छ।

मिडिया सामग्री नम्बर १

5656 किनारामा एउटा पानीको अणु थप्दा अत्यधिक मोबाइल अनपेयर अणु संरचना हुन्छ।

मिडिया सामग्री नम्बर १

यी मध्ये दुईवटा अनपेयर गरिएको पानी अणुहरू पछि थप स्थिर हेप्टागोनल संरचनामा संयोजन गर्न सक्छन्, 5656 देखि 5756 सम्म रूपान्तरण पूरा गर्दै।

अध्ययन को सूक्ष्मता संग एक अधिक विस्तृत परिचित को लागी, म हेर्न को लागी सिफारिस गर्दछु वैज्ञानिकहरु रिपोर्ट.

Epilogue

यस अध्ययनको मुख्य निष्कर्ष यो हो कि विकासको समयमा संरचनाहरूको अवलोकन गरिएको व्यवहार सबै प्रकारका दुई-आयामी बरफहरूमा सामान्य हुन सक्छ। बिलेयर हेक्सागोनल बरफ विभिन्न हाइड्रोफोबिक सतहहरूमा र हाइड्रोफोबिक कैद अवस्थाहरूमा बनाउँछ, र त्यसैले यसलाई छुट्टै 2D क्रिस्टल (2D आइस I) मान्न सकिन्छ, जसको गठन सब्सट्रेटको अन्तर्निहित संरचनामा असंवेदनशील हुन्छ।

वैज्ञानिकहरू इमानदारीपूर्वक भन्छन् कि तिनीहरूको इमेजिङ प्रविधि अझै तीन-आयामी बरफसँग काम गर्न उपयुक्त छैन, तर दुई-आयामी बर्फको अध्ययनको नतिजाले यसको भोल्युमेट्रिक सापेक्षको गठन प्रक्रियालाई व्याख्या गर्न आधारको रूपमा सेवा गर्न सक्छ। अर्को शब्दमा, दुई-आयामी संरचनाहरू कसरी बन्छन् भन्ने कुरा बुझ्नु त्रि-आयामीहरूको अध्ययनको लागि महत्त्वपूर्ण आधार हो। यस उद्देश्यका लागि अनुसन्धानकर्ताहरूले भविष्यमा आफ्नो कार्यप्रणाली सुधार गर्ने योजना बनाएका छन्।

पढ्नको लागि धन्यवाद, जिज्ञासु रहनुहोस् र एक राम्रो हप्ता केटाहरू। 🙂

केही विज्ञापनहरू 🙂

हामीसँग रहनु भएकोमा धन्यवाद। तपाईलाई हाम्रा लेखहरू मनपर्छ? थप रोचक सामग्री हेर्न चाहनुहुन्छ? हामीलाई अर्डर गरेर वा साथीहरूलाई सिफारिस गरेर समर्थन गर्नुहोस्, $4.99 बाट विकासकर्ताहरूको लागि क्लाउड VPS, प्रविष्टि-स्तर सर्भरहरूको एक अद्वितीय एनालग, जुन हामीले तपाईंको लागि आविष्कार गरेको हो: VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 कोर) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps $ 19 बाट वा कसरी सर्भर साझा गर्ने बारे सम्पूर्ण सत्य? (RAID1 र RAID10 सँग उपलब्ध, 24 कोर सम्म र 40GB DDR4 सम्म)।

डेल R730xd 2x एम्स्टर्डमको इक्विनिक्स टियर IV डाटा सेन्टरमा सस्तो छ? यहाँ मात्र 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV $199 बाट नेदरल्याण्ड मा! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99 बाट! बारे पढ्नुहोस् पूर्वाधार कर्पोरेशन कसरी निर्माण गर्ने। डेल R730xd E5-2650 v4 सर्भरहरूको प्रयोगको साथ एक पैसाको लागि 9000 यूरो मूल्यको वर्ग?

स्रोत: www.habr.com