Alle vet at vann forekommer i tre aggregeringstilstander. Vi setter på kjelen, og vannet begynner å koke og fordampe, og går fra flytende til gassformig. Vi legger den i fryseren, og den begynner å bli til is, og beveger seg derved fra flytende til fast tilstand. Imidlertid, under visse omstendigheter, kan vanndamp som er tilstede i luften umiddelbart passere inn i den faste fasen og omgå væskefasen. Vi kjenner denne prosessen på resultatet - vakre mønstre på vinduene på en frostig vinterdag. Bilentusiaster, når de skraper et lag med is fra frontruten, karakteriserer ofte denne prosessen ved å bruke ikke veldig vitenskapelige, men veldig emosjonelle og levende epitet. På en eller annen måte var detaljene om dannelsen av todimensjonal is innhyllet i hemmelighold i mange år. Og nylig, for første gang, var et internasjonalt team av forskere i stand til å visualisere atomstrukturen til todimensjonal is under dannelsen. Hvilke hemmeligheter er skjult i denne tilsynelatende enkle fysiske prosessen, hvordan klarte forskere å avdekke dem, og hvordan er funnene deres nyttige? Rapporten til forskergruppen vil fortelle oss om dette. Gå.
Grunnlaget for studien
Hvis vi overdriver, så er praktisk talt alle objekter rundt oss tredimensjonale. Men hvis vi vurderer noen av dem mer omhyggelig, kan vi også finne todimensjonale. En isskorpe som dannes på overflaten av noe er et godt eksempel på dette. Eksistensen av slike strukturer er ikke en hemmelighet for det vitenskapelige samfunnet, fordi de har blitt analysert mange ganger. Men problemet er at det er ganske vanskelig å visualisere metastabile eller mellomliggende strukturer involvert i dannelsen av 2D-is. Dette skyldes banale problemer - skjørheten og skjørheten til strukturene som studeres.
Heldigvis tillater moderne skannemetoder at prøver kan analyseres med minimal innvirkning, noe som gjør det mulig å oppnå maksimal data på kort tid, på grunn av ovennevnte årsaker. I denne studien brukte forskerne ikke-kontakt atomkraftmikroskopi, med spissen av mikroskopnålen belagt med karbonmonoksid (CO). Kombinasjonen av disse skanneverktøyene gjør det mulig å få sanntidsbilder av kantstrukturene til todimensjonal tolags sekskantet is dyrket på en gull (Au) overflate.
Mikroskopi har vist at under dannelsen av todimensjonal is, eksisterer to typer kanter (segmenter som forbinder to hjørner av en polygon) samtidig i strukturen: sikksakk (sikksakk) og stolformet (lenestol).
Lenestol (venstre) og sikksakk (høyre) kanter med grafen som eksempel.
På dette stadiet ble prøvene raskt frosset, slik at atomstrukturen kunne undersøkes i detalj. Det ble også utført modellering, hvis resultater i stor grad falt sammen med observasjonsresultatene.
Det ble funnet at i tilfelle dannelse av sikksakk-ribber, legges et ekstra vannmolekyl til den eksisterende kanten, og hele prosessen reguleres av bromekanismen. Men når det gjelder dannelsen av lenestolribber, ble det ikke påvist ytterligere molekyler, noe som står i sterk kontrast til tradisjonelle ideer om veksten av tolags sekskantet is og todimensjonale sekskantede stoffer generelt.
Hvorfor valgte forskerne et ikke-kontakt atomkraftmikroskop for sine observasjoner i stedet for et skanningstunnelmikroskop (STM) eller transmisjonselektronmikroskop (TEM)? Som vi allerede vet, er valget knyttet til vanskeligheten med å studere de kortvarige og skjøre strukturene til todimensjonal is. STM har tidligere blitt brukt til å studere 2D-is dyrket på forskjellige overflater, men denne typen mikroskop er ikke følsomme for posisjonen til kjerner, og spissen kan forårsake bildefeil. TEM, tvert imot, viser perfekt atomstrukturen til ribbeina. Å oppnå bilder av høy kvalitet krever imidlertid høyenergielektroner, som lett kan endre eller til og med ødelegge kantstrukturen til kovalent bundne XNUMXD-materialer, for ikke å nevne de mer løst bundne kantene i XNUMXD-is.
Et atomkraftmikroskop har ikke slike ulemper, og en CO-belagt spiss tillater studiet av grenseflatevann med minimal påvirkning på vannmolekyler.
Forskningsresultater
Bilde #1
Todimensjonal is ble dyrket på Au(111)-overflaten ved en temperatur på omtrent 120 K, og dens tykkelse var 2.5 Å (1a).
STM-bilder av is (1c) og det tilsvarende raske Fourier-transformasjonsbildet (innsatt i 1a) viser en velordnet heksagonal struktur med en periodisitet på Au(111)-√3 x √3-30°. Selv om det cellulære H-tilkoblede nettverket av 2D-is er synlig i STM-bildet, er den detaljerte topologien til kantstrukturene vanskelig å bestemme. Samtidig ga AFM med en frekvensforskyvning (Δf) av samme prøveområde bedre bilder (1d), som gjorde det mulig å visualisere stolformede og sikksakk deler av strukturen. Den totale lengden på begge variantene er sammenlignbare, men gjennomsnittslengden på forgjengerribben er litt lengre (1b). Sikksakkribber kan vokse opp til 60 Å i lengde, men stolformede blir dekket med defekter under dannelsen, noe som reduserer deres maksimale lengde til 10-30 Å.
Deretter ble systematisk AFM-avbildning utført ved forskjellige nålehøyder (2a).
Bilde #2
Ved høyeste spisshøyde, når AFM-signalet domineres av elektrostatisk kraft av høyere orden, ble to sett med √3 x √3 subgitter i todimensjonal tolags is identifisert, hvorav ett er vist i 2a (venstre).
Ved lavere nålehøyder begynner de lyse elementene i denne undergruppen å vise retning, og den andre undergruppen blir til et V-formet element (2a, sentrert).
Ved minimum nålehøyde avslører AFM en bikakestruktur med klare linjer som forbinder to undergitter, som minner om H-bindinger (2a, til høyre).
Tetthetsfunksjonsteoriberegninger viser at todimensjonal is dyrket på Au(111)-overflaten tilsvarer en sammenlåst tolags isstruktur (2s), bestående av to flate sekskantede lag med vann. Sekskantene til de to arkene er konjugert, og vinkelen mellom vannmolekylene i planet er 120°.
I hvert lag med vann ligger halvparten av vannmolekylene horisontalt (parallelt med substratet) og den andre halvparten ligger vertikalt (vinkelrett på substratet), med en O–H peker opp eller ned. Vertikalt liggende vann i ett lag donerer en H-binding til horisontalt vann i et annet lag, noe som resulterer i en fullstendig mettet H-formet struktur.
AFM-simulering ved hjelp av en quadrupol (dz 2) spiss (2b) basert på modellen ovenfor er i god overensstemmelse med eksperimentelle resultater (2a). Dessverre gjør de lignende høydene til horisontalt og vertikalt vann identifiseringen deres vanskelig under STM-avbildning. Men når du bruker atomkraftmikroskopi, er molekylene til begge typer vann klart å skille (2a и 2b høyre) fordi den elektrostatiske kraften av høyere orden er veldig følsom for orienteringen til vannmolekyler.
Det var også mulig å videre bestemme O-H-retningsevnen til horisontalt og vertikalt vann gjennom samspillet mellom høyere ordens elektrostatiske krefter og Pauli frastøtende krefter, som vist med de røde linjene i 2a и 2b (senter).
Bilde #3
I bildene 3a и 3b (Trinn 1) viser forstørrede AFM-bilder av henholdsvis sikksakk- og lenestolfinner. Det ble funnet at sikksakkkanten vokser mens den beholder sin opprinnelige struktur, og med veksten av den stolformede kanten gjenopprettes kanten i den periodiske strukturen til 5756 ringer, d.v.s. når strukturen til ribbene periodisk gjentar sekvensen femkant - sekskant - femkant - sekskant.
Tetthetsfunksjonsteoriberegninger viser at den urekonstruerte sikksakkfinnen og 5756 stolfinnen er de mest stabile. 5756-kanten er dannet som et resultat av kombinerte effekter som minimerer antallet umettede hydrogenbindinger og reduserer belastningsenergien.
Forskere husker at de basale planene til sekskantet is vanligvis ender i sikksakk-ribber, og stolformede ribber er fraværende på grunn av den høyere tettheten av umettede hydrogenbindinger. Men i små systemer eller hvor det er begrenset med plass, kan stolfinner redusere energien gjennom riktig redesign.
Som nevnt tidligere, da isveksten ved 120 K ble stoppet, ble prøven umiddelbart avkjølt til 5 K for å prøve å fryse metastabile eller overgangskantstrukturer og sikre en relativt lang prøvelevetid for detaljerte studier ved bruk av STM og AFM. Det var også mulig å rekonstruere vekstprosessen til todimensjonal is (bilde nr. 3) takket være den CO-funksjonaliserte mikroskopspissen, som gjorde det mulig å oppdage metastabile strukturer og overgangsstrukturer.
Når det gjelder sikksakk-ribber, ble det noen ganger funnet individuelle femkanter festet til de rette ribbeina. De kunne stille seg på rad og danne en matrise med en periodisitet på 2 x aice (aice er gitterkonstanten til todimensjonal is). Denne observasjonen kan indikere at veksten av sikksakkkanter initieres av dannelsen av en periodisk rekke femkanter (3a, trinn 1-3), som innebærer å legge til to vannpar for femkanten (røde piler).
Deretter kobles rekken av femkanter for å danne en struktur som 56665 (3a, trinn 4), og gjenoppretter deretter det opprinnelige sikksakk-utseendet ved å tilsette mer vanndamp.
Med stolformede kanter er situasjonen motsatt - det er ingen rekker av femkanter, men i stedet observeres korte hull som 5656 på kanten ganske ofte. Lengden på 5656-finnen er betydelig kortere enn 5756-en. Dette er muligens fordi 5656-finnen er svært belastet og mindre stabil enn 5756. Fra og med 5756-stolfinnen, konverteres 575 ringer lokalt til 656 ringer ved å legge til to vanndamp (3b, trinn 2). Deretter vokser 656-ringene i tverrretningen, og danner en kant av 5656-typen (3b, trinn 3), men med begrenset lengde på grunn av akkumulering av deformasjonsenergi.
Hvis ett vannpar legges til sekskanten til en 5656 finne, kan deformasjonen bli delvis svekket, og dette vil igjen føre til dannelsen av en 5756 finne (3b, trinn 4).
Resultatene ovenfor er svært veiledende, men det ble besluttet å støtte dem med tilleggsdata hentet fra molekylær dynamikkberegninger av vanndamp på Au (111)-overflaten.
Det ble funnet at 2D-dobbeltlags isøyer dannet seg vellykket og uhindret på overflaten, noe som stemmer overens med våre eksperimentelle observasjoner.
Bilde #4
På bildet 4a Mekanismen for kollektiv dannelse av broer på sikksakk-ribber vises trinn for trinn.
Nedenfor er mediemateriale om denne studien med en beskrivelse.
Mediemateriale nr. 1
Det er verdt å merke seg at en enkelt femkant festet til en sikksakkkant ikke kan fungere som et lokalt kjernedannelsessenter for å fremme vekst.
Mediemateriale nr. 2
I stedet dannes det til å begynne med et periodisk, men ikke-sammenkoblet nettverk av femkanter på sikksakkkanten, og påfølgende innkommende vannmolekyler forsøker kollektivt å koble disse femkantene, noe som resulterer i dannelsen av en kjedestruktur av typen 565. Dessverre har en slik struktur ikke blitt observert under praktiske observasjoner, noe som forklarer den ekstremt korte levetiden.
Mediemateriale nr. 3 og nr. 4
Tilsetningen av ett vannpar forbinder 565-typestrukturen og den tilstøtende femkanten, noe som resulterer i dannelsen av 5666-typestrukturen.
5666-typestrukturen vokser sideveis for å danne 56665-typestrukturen og utvikler seg til slutt til et fullt koblet sekskantet gitter.
Mediemateriale nr. 5 og nr. 6
På bildet 4b vekst vises i tilfelle av en lenestolribbe. Konverteringen fra type 575-ringer til type 656-ringer starter fra det nederste laget, og danner en sammensatt 575/656-struktur som ikke kan skilles fra en type 5756-finne i eksperimentene, siden bare det øverste laget av tolagsisen kan avbildes under forsøkene.
Mediemateriale nr. 7
Den resulterende broen 656 blir kjernedannelsessenteret for veksten av 5656-ribben.
Mediemateriale nr. 8
Å legge til ett vannmolekyl til en 5656-kant resulterer i en svært mobil uparet molekylstruktur.
Mediemateriale nr. 9
To av disse uparrede vannmolekylene kan deretter kombineres til en mer stabil sjukantet struktur, og fullføre konverteringen fra 5656 til 5756.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på .
Epilog
Hovedkonklusjonen til denne studien er at den observerte oppførselen til strukturer under vekst kan være felles for alle typer todimensjonal is. Tolags sekskantet is dannes på forskjellige hydrofobe overflater og under hydrofobe innesperringsforhold, og kan derfor betraktes som en separat 2D-krystall (2D-is I), hvis dannelse er ufølsom for den underliggende strukturen til underlaget.
Forskere sier ærlig at deres bildeteknikk ennå ikke er egnet for å jobbe med tredimensjonal is, men resultatene av å studere todimensjonal is kan tjene som grunnlag for å forklare dannelsesprosessen til dens volumetriske slektning. Å forstå hvordan todimensjonale strukturer dannes er med andre ord et viktig grunnlag for å studere tredimensjonale. Det er for dette formålet forskerne planlegger å forbedre metodikken sin i fremtiden.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott uke folkens. 🙂
Noen annonser 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, , en unik analog av entry-level servere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x billigere i Equinix Tier IV datasenter i Amsterdam? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com