Iedereen weet dat water in drie aggregatietoestanden voorkomt. We zetten de ketel aan en het water begint te koken en te verdampen, en verandert van vloeibaar in gasvormig. We stoppen het in de vriezer en het begint in ijs te veranderen, waardoor het van een vloeibare naar een vaste toestand gaat. Onder bepaalde omstandigheden kan de in de lucht aanwezige waterdamp echter onmiddellijk in de vaste fase overgaan, waarbij de vloeibare fase wordt omzeild. We kennen dit proces aan de hand van het resultaat: prachtige patronen op de ramen op een ijzige winterdag. Autoliefhebbers karakteriseren dit proces vaak met niet erg wetenschappelijke, maar zeer emotionele en levendige scheldwoorden wanneer ze een laag ijs van de voorruit schrapen. Op de een of andere manier bleven de details van de vorming van tweedimensionaal ijs jarenlang in geheimzinnigheid gehuld. En onlangs heeft een internationaal team van wetenschappers voor het eerst de atomaire structuur van tweedimensionaal ijs tijdens zijn vorming kunnen visualiseren. Welke geheimen zijn verborgen in dit ogenschijnlijk eenvoudige fysieke proces, hoe zijn wetenschappers erin geslaagd deze te ontdekken en hoe zijn hun bevindingen nuttig? Het rapport van de onderzoeksgroep vertelt hierover. Gaan.
Onderzoeksbasis
Als we overdrijven, zijn vrijwel alle objecten om ons heen driedimensionaal. Als we sommige ervan echter nauwkeuriger bekijken, kunnen we ook tweedimensionale vinden. Een ijskorst die zich op het oppervlak van iets vormt, is hiervan een goed voorbeeld. Het bestaan van dergelijke structuren is geen geheim voor de wetenschappelijke gemeenschap, omdat ze vele malen zijn geanalyseerd. Maar het probleem is dat het vrij moeilijk is om metastabiele of intermediaire structuren te visualiseren die betrokken zijn bij de vorming van 2D-ijs. Dit komt door banale problemen: de kwetsbaarheid en kwetsbaarheid van de structuren die worden bestudeerd.
Gelukkig maken moderne scanmethoden het mogelijk monsters te analyseren met minimale impact, waardoor in korte tijd maximale gegevens kunnen worden verkregen, vanwege de bovengenoemde redenen. In deze studie gebruikten de wetenschappers contactloze atoomkrachtmicroscopie, waarbij de punt van de microscoopnaald bedekt was met koolmonoxide (CO). De combinatie van deze scantools maakt het mogelijk om real-time beelden te verkrijgen van de randstructuren van tweedimensionaal dubbellaags zeshoekig ijs gegroeid op een goud (Au) oppervlak.
Microscopie heeft aangetoond dat tijdens de vorming van tweedimensionaal ijs twee soorten randen (segmenten die twee hoekpunten van een veelhoek verbinden) gelijktijdig naast elkaar bestaan in de structuur ervan: zigzag (zigzag) en stoelvormig (fauteuil).
Fauteuil (links) en zigzag (rechts) randen met grafeen als voorbeeld.
In dit stadium werden de monsters snel ingevroren, waardoor de atomaire structuur in detail kon worden onderzocht. Ook werd er gemodelleerd, waarvan de resultaten grotendeels overeenkwamen met de observationele resultaten.
Het bleek dat in het geval van de vorming van zigzagribben een extra watermolecuul aan de bestaande rand wordt toegevoegd en dat het hele proces wordt gereguleerd door het overbruggingsmechanisme. Maar in het geval van de vorming van fauteuilribben werden geen extra moleculen gedetecteerd, wat sterk contrasteert met traditionele ideeën over de groei van tweelaags hexagonaal ijs en tweedimensionale hexagonale stoffen in het algemeen.
Waarom kozen wetenschappers voor hun waarnemingen een contactloze atoomkrachtmicroscoop in plaats van een scanning tunneling microscoop (STM) of transmissie-elektronenmicroscoop (TEM)? Zoals we al weten, houdt de keuze verband met de moeilijkheid om de kortstondige en kwetsbare structuren van tweedimensionaal ijs te bestuderen. STM is eerder gebruikt om 2D-ijs te bestuderen dat op verschillende oppervlakken is gegroeid, maar dit type microscoop is niet gevoelig voor de positie van kernen en de punt kan beeldfouten veroorzaken. TEM toont daarentegen perfect de atomaire structuur van de ribben. Voor het verkrijgen van beelden van hoge kwaliteit zijn echter elektronen met hoge energie nodig, die de randstructuur van covalent gebonden XNUMXD-materialen gemakkelijk kunnen veranderen of zelfs vernietigen, om nog maar te zwijgen van de losser gebonden randen in XNUMXD-ijs.
Een atoomkrachtmicroscoop heeft dergelijke nadelen niet, en een CO-gecoate punt maakt het mogelijk grensvlakwater te bestuderen met minimale invloed op watermoleculen.
Onderzoeksresultaten
Afbeelding #1
Op het Au(111)-oppervlak groeide tweedimensionaal ijs bij een temperatuur van ongeveer 120 K, en de dikte ervan was 2.5 Å (1a).
STM-afbeeldingen van ijs (1c) en het overeenkomstige snelle Fourier-transformatiebeeld (inzet in 1a) tonen een goed geordende hexagonale structuur met een periodiciteit van Au(111)-√3 x √3-30°. Hoewel het cellulaire H-verbonden netwerk van 2D-ijs zichtbaar is in het STM-beeld, is de gedetailleerde topologie van de randstructuren moeilijk te bepalen. Tegelijkertijd gaf AFM met een frequentieverschuiving (Δf) van hetzelfde monstergebied betere beelden (1d), waardoor het mogelijk werd stoelvormige en zigzagvormige delen van de constructie te visualiseren. De totale lengte van beide varianten is vergelijkbaar, maar de gemiddelde lengte van de voorgangerrib is iets langer (1b). Zigzagribben kunnen tot 60 Å lang worden, maar stoelvormige ribben raken tijdens de vorming bedekt met defecten, waardoor hun maximale lengte wordt teruggebracht tot 10-30 Å.
Vervolgens werd systematische AFM-beeldvorming uitgevoerd op verschillende naaldhoogtes (2a).
Afbeelding #2
Op de hoogste tiphoogte, wanneer het AFM-signaal wordt gedomineerd door elektrostatische kracht van hogere orde, werden twee sets van √3 x √3 subroosters in tweedimensionaal dubbellaags ijs geïdentificeerd, waarvan er één wordt weergegeven in 2a (links).
Op lagere naaldhoogtes beginnen de heldere elementen van deze subarray directionaliteit te vertonen, en verandert de andere subarray in een V-vormig element (2a, gecentreerd).
Op minimale naaldhoogte onthult AFM een honingraatstructuur met duidelijke lijnen die twee subroosters verbinden, die doet denken aan H-bindingen (2a, rechts).
Berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie laten zien dat tweedimensionaal ijs gegroeid op het Au(111)-oppervlak overeenkomt met een in elkaar grijpende tweelaagse ijsstructuur (2s), bestaande uit twee platte zeshoekige waterlagen. De zeshoeken van de twee platen zijn geconjugeerd en de hoek tussen de watermoleculen in het vlak is 120°.
In elke waterlaag ligt de helft van de watermoleculen horizontaal (parallel aan het substraat) en de andere helft verticaal (loodrecht op het substraat), waarbij één O – H naar boven of naar beneden wijst. Verticaal liggend water in de ene laag schenkt een H-binding aan horizontaal water in een andere laag, wat resulteert in een volledig verzadigde H-vormige structuur.
AFM-simulatie met behulp van een quadrupool (dz 2) tip (2b) gebaseerd op het bovenstaande model komt goed overeen met experimentele resultaten (2a). Helaas maken de vergelijkbare hoogten van horizontaal en verticaal water hun identificatie moeilijk tijdens STM-beeldvorming. Bij gebruik van atoomkrachtmicroscopie zijn de moleculen van beide soorten water echter duidelijk te onderscheiden (2a и 2b rechts) omdat de elektrostatische kracht van hogere orde erg gevoelig is voor de oriëntatie van watermoleculen.
Het was ook mogelijk om de OH-richting van horizontaal en verticaal water verder te bepalen door de interactie tussen elektrostatische krachten van hogere orde en afstotende krachten van Pauli, zoals weergegeven door de rode lijnen in 2a и 2b (centrum).
Afbeelding #3
Op de afbeeldingen 3a и 3b (Fase 1) toont vergrote AFM-afbeeldingen van respectievelijk zigzag- en fauteuilvinnen. Er werd vastgesteld dat de zigzagrand groeit met behoud van de oorspronkelijke structuur, en met de groei van de stoelvormige rand wordt de rand hersteld in de periodieke structuur van 5756 ringen, d.w.z. wanneer de structuur van de ribben periodiek de reeks vijfhoek - zevenhoek - vijfhoek - zeshoek herhaalt.
Berekeningen uit de dichtheidsfunctionaaltheorie laten zien dat de niet-gereconstrueerde zigzagvin en de 5756 stoelvin het meest stabiel zijn. De 5756-rand wordt gevormd als resultaat van gecombineerde effecten die het aantal onverzadigde waterstofbruggen minimaliseren en de spanningsenergie verminderen.
Wetenschappers herinneren zich dat de basale vlakken van zeshoekig ijs meestal eindigen in zigzagribben, en stoelvormige ribben ontbreken vanwege de hogere dichtheid van onverzadigde waterstofbruggen. In kleine systemen of waar de ruimte beperkt is, kunnen stoelvinnen echter hun energie verminderen door een goed herontwerp.
Zoals eerder vermeld, werd het monster, toen de ijsgroei bij 120 K werd gestopt, onmiddellijk afgekoeld tot 5 K om te proberen metastabiele of overgangsrandstructuren te bevriezen en een relatief lange levensduur van het monster te garanderen voor gedetailleerd onderzoek met behulp van STM en AFM. Het was ook mogelijk om het groeiproces van tweedimensionaal ijs te reconstrueren (afbeelding nr. 3) dankzij de CO-gefunctionaliseerde microscooppunt, die het mogelijk maakte om metastabiele en transitiestructuren te detecteren.
In het geval van zigzagribben werden soms individuele vijfhoeken aangetroffen die aan de rechte ribben waren bevestigd. Ze kunnen op een rij worden opgesteld en een array vormen met een periodiciteit van 2 x aai (aai is de roosterconstante van tweedimensionaal ijs). Deze waarneming kan erop wijzen dat de groei van zigzagranden wordt geïnitieerd door de vorming van een periodieke reeks vijfhoeken (3a, stap 1-3), waarbij twee waterparen voor de vijfhoek worden toegevoegd (rode pijlen).
Vervolgens wordt de reeks vijfhoeken verbonden om een structuur te vormen zoals 56665 (3a, fase 4), en herstelt vervolgens het oorspronkelijke zigzag-uiterlijk door meer waterdamp toe te voegen.
Bij stoelvormige randen is de situatie het tegenovergestelde: er zijn geen reeksen vijfhoeken, maar in plaats daarvan worden korte openingen zoals 5656 aan de rand vrij vaak waargenomen. De lengte van de 5656 vin is aanzienlijk korter dan die van de 5756. Dit komt mogelijk doordat de 5656 vin zwaar belast en minder stabiel is dan de 5756. Te beginnen met de 5756 stoelvin, worden 575 ringen lokaal omgezet naar 656 ringen door er twee toe te voegen waterdamp (3b, stage 2). Vervolgens groeien de 656-ringen in de dwarsrichting en vormen een rand van het 5656-type (3b, fase 3), maar met een beperkte lengte vanwege de accumulatie van vervormingsenergie.
Als één waterpaar wordt toegevoegd aan de zeshoek van een 5656-vin, kan de vervorming gedeeltelijk worden verzwakt, en dit zal opnieuw leiden tot de vorming van een 5756-vin (3b, fase 4).
De bovenstaande resultaten zijn zeer indicatief, maar er werd besloten ze te ondersteunen met aanvullende gegevens verkregen uit moleculaire dynamica-berekeningen van waterdamp op het Au (111)-oppervlak.
Er werd ontdekt dat XNUMXD dubbellaagse ijseilanden zich met succes en ongehinderd op het oppervlak vormden, wat consistent is met onze experimentele waarnemingen.
Afbeelding #4
Op de afbeelding 4a Het mechanisme van collectieve vorming van bruggen op zigzagribben wordt stap voor stap getoond.
Hieronder vindt u mediamateriaal over dit onderzoek met een beschrijving.
Mediamateriaal nr. 1
Het is vermeldenswaard dat een enkele vijfhoek die aan een zigzagrand is bevestigd, niet kan fungeren als lokaal kernvormingscentrum om de groei te bevorderen.
Mediamateriaal nr. 2
In plaats daarvan vormt zich aanvankelijk een periodiek maar niet-verbonden netwerk van vijfhoeken op de zigzagrand, en daaropvolgende binnenkomende watermoleculen proberen collectief deze vijfhoeken met elkaar te verbinden, wat resulteert in de vorming van een ketenstructuur van het type 565. Helaas is een dergelijke structuur niet waargenomen tijdens praktische observaties, wat de extreem korte levensduur verklaart.
Mediamateriaal nr. 3 en nr. 4
De toevoeging van één waterpaar verbindt de structuur van het type 565 en de aangrenzende vijfhoek, resulterend in de vorming van de structuur van het type 5666.
De structuur van het type 5666 groeit lateraal om de structuur van het type 56665 te vormen en ontwikkelt zich uiteindelijk tot een volledig verbonden hexagonaal rooster.
Mediamateriaal nr. 5 en nr. 6
Op de afbeelding 4b groei wordt getoond in het geval van een fauteuilrib. De conversie van type 575-ringen naar type 656-ringen begint vanaf de onderste laag en vormt een samengestelde 575/656-structuur die in de experimenten niet te onderscheiden is van een type 5756-vin, omdat alleen de bovenste laag van het tweelaagse ijs in beeld kan worden gebracht. tijdens de experimenten.
Mediamateriaal nr. 7
De resulterende brug 656 wordt het kiemcentrum voor de groei van de 5656-rib.
Mediamateriaal nr. 8
Het toevoegen van één watermolecuul aan een 5656-rand resulteert in een zeer mobiele ongepaarde molecuulstructuur.
Mediamateriaal nr. 9
Twee van deze ongepaarde watermoleculen kunnen zich vervolgens combineren tot een stabielere zevenhoekige structuur, waarmee de conversie van 5656 naar 5756 wordt voltooid.
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken .
epiloog
De belangrijkste conclusie van deze studie is dat het waargenomen gedrag van structuren tijdens de groei hetzelfde kan zijn voor alle soorten tweedimensionaal ijs. Dubbellaags hexagonaal ijs vormt zich op verschillende hydrofobe oppervlakken en onder hydrofobe opsluitingsomstandigheden, en kan daarom worden beschouwd als een afzonderlijk 2D-kristal (2D-ijs I), waarvan de vorming ongevoelig is voor de onderliggende structuur van het substraat.
Wetenschappers zeggen eerlijk dat hun beeldtechniek nog niet geschikt is om met driedimensionaal ijs te werken, maar de resultaten van het bestuderen van tweedimensionaal ijs kunnen als basis dienen voor het verklaren van het vormingsproces van zijn volumetrische relatieve. Met andere woorden: het begrijpen van hoe tweedimensionale structuren ontstaan, is een belangrijke basis voor het bestuderen van driedimensionale structuren. Het is voor dit doel dat de onderzoekers van plan zijn hun methodologie in de toekomst te verbeteren.
Bedankt voor het lezen, blijf nieuwsgierig en een fijne week jongens. 🙂
Sommige advertenties 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, , een unieke analoog van servers op instapniveau, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x goedkoper in Equinix Tier IV datacenter in Amsterdam? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com