Každý vie, že voda sa vyskytuje v troch stavoch agregácie. Nasadíme kanvicu a voda začne vrieť a odparovať sa, pričom sa mení z kvapaliny na plyn. Vložíme ho do mrazničky a začne sa meniť na ľad, čím sa presunie z tekutého do tuhého stavu. Za určitých okolností však vodná para prítomná vo vzduchu môže okamžite prejsť do pevnej fázy a obísť kvapalnú fázu. Tento proces poznáme podľa jeho výsledku – krásnych vzorov na oknách v mrazivom zimnom dni. Automobiloví nadšenci, keď zoškrabujú vrstvu ľadu z čelného skla, často charakterizujú tento proces pomocou nie príliš vedeckých, ale veľmi emocionálnych a živých epitetov. Tak či onak, detaily vzniku dvojrozmerného ľadu boli dlhé roky zahalené rúškom tajomstva. A nedávno sa medzinárodnému tímu vedcov po prvý raz podarilo vizualizovať atómovú štruktúru dvojrozmerného ľadu počas jeho tvorby. Aké tajomstvá sa ukrývajú v tomto zdanlivo jednoduchom fyzikálnom procese, ako sa ich vedcom podarilo odhaliť a v čom sú ich zistenia užitočné? Povie nám o tom správa výskumnej skupiny. Choď.
Výskumný základ
Ak to preženieme, tak prakticky všetky predmety okolo nás sú trojrozmerné. Ak však niektoré z nich dôkladnejšie zvážime, môžeme nájsť aj dvojrozmerné. Ľadová kôra, ktorá sa tvorí na povrchu niečoho, je toho ukážkovým príkladom. Existencia takýchto štruktúr nie je pre vedeckú komunitu tajomstvom, pretože boli mnohokrát analyzované. Problém je však v tom, že je dosť ťažké vizualizovať metastabilné alebo medziľahlé štruktúry podieľajúce sa na tvorbe 2D ľadu. Je to spôsobené banálnymi problémami - krehkosťou a krehkosťou skúmaných štruktúr.
Našťastie moderné skenovacie metódy umožňujú analyzovať vzorky s minimálnym dopadom, čo umožňuje získať maximum údajov v krátkom čase z vyššie uvedených dôvodov. V tejto štúdii vedci použili bezkontaktnú mikroskopiu atómovej sily so špičkou ihly mikroskopu pokrytou oxidom uhoľnatým (CO). Kombinácia týchto skenovacích nástrojov umožňuje získať snímky okrajových štruktúr dvojrozmerného dvojvrstvového šesťuholníkového ľadu pestovaného na zlatom (Au) povrchu v reálnom čase.
Mikroskopia ukázala, že pri tvorbe dvojrozmerného ľadu v jeho štruktúre súčasne koexistujú dva typy hrán (segmenty spájajúce dva vrcholy mnohouholníka): cikcak (cikcak) a v tvare stoličky (kreslo).
Okraj kresla (vľavo) a cikcak (vpravo) s použitím grafénu ako príkladu.
V tomto štádiu boli vzorky rýchlo zmrazené, čo umožnilo detailné preskúmanie atómovej štruktúry. Uskutočnilo sa aj modelovanie, ktorého výsledky sa do značnej miery zhodovali s výsledkami pozorovania.
Zistilo sa, že v prípade tvorby cikcakových rebier sa k existujúcemu okraju pridáva ďalšia molekula vody a celý proces je regulovaný premosťovacím mechanizmom. Ale v prípade tvorby rebier kresla neboli zistené žiadne ďalšie molekuly, čo silne kontrastuje s tradičnými predstavami o raste dvojvrstvového šesťuholníkového ľadu a dvojrozmerných šesťuholníkových látok vo všeobecnosti.
Prečo si vedci na svoje pozorovania vybrali bezkontaktný mikroskop atómovej sily namiesto skenovacieho tunelového mikroskopu (STM) alebo transmisného elektrónového mikroskopu (TEM)? Ako už vieme, výber súvisí s náročnosťou štúdia krátkodobých a krehkých štruktúr dvojrozmerného ľadu. STM sa predtým používal na štúdium 2D ľadu pestovaného na rôznych povrchoch, ale tento typ mikroskopu nie je citlivý na polohu jadier a jeho hrot môže spôsobiť chyby zobrazovania. TEM, naopak, dokonale zobrazuje atómovú štruktúru rebier. Získanie vysokokvalitných obrázkov si však vyžaduje vysokoenergetické elektróny, ktoré môžu ľahko zmeniť alebo dokonca zničiť okrajovú štruktúru kovalentne viazaných XNUMXD materiálov, nehovoriac o voľnejšie viazaných okrajoch v XNUMXD ľade.
Mikroskop atómovej sily nemá takéto nevýhody a hrot potiahnutý CO umožňuje štúdium vody na rozhraní s minimálnym vplyvom na molekuly vody.
Výsledky štúdie
Obrázok č. 1
Dvojrozmerný ľad sa pestoval na povrchu Au(111) pri teplote asi 120 K a jeho hrúbka bola 2.5 Á (1).
STM snímky ľadu (1c) a zodpovedajúci obrázok rýchlej Fourierovej transformácie (vložený v 1) ukazujú dobre usporiadanú hexagonálnu štruktúru s periodicitou Au(111)-√3 x √3-30°. Aj keď je na obrázku STM viditeľná bunková H-pripojená sieť 2D ľadu, je ťažké určiť podrobnú topológiu okrajových štruktúr. Súčasne AFM s frekvenčným posunom (Δf) rovnakej oblasti vzorky poskytoval lepšie obrázky (1d), čo umožnilo vizualizovať stoličkové a cik-cak úseky konštrukcie. Celková dĺžka oboch variantov je porovnateľná, ale priemerná dĺžka rebra predchodcu je o niečo dlhšia (1b). Kľukaté rebrá môžu dorásť až do dĺžky 60 Å, ale stoličkovité rebrá sa počas formovania pokrývajú defektmi, čo znižuje ich maximálnu dĺžku na 10-30 Å.
Ďalej sa uskutočnilo systematické zobrazovanie AFM v rôznych výškach ihiel (2).
Obrázok č. 2
V najvyššej výške hrotu, keď signálu AFM dominuje elektrostatická sila vyššieho rádu, boli identifikované dve sady podmriežok √3 x √3 v dvojrozmernom dvojvrstvovom ľade, z ktorých jedna je znázornená na obrázku 2 (vľavo).
Pri nižších výškach ihiel začnú svetlé prvky tohto podpola vykazovať smerovosť a druhé podpole sa zmení na prvok v tvare V (2a, vycentrované).
Pri minimálnej výške ihly AFM odhaľuje voštinovú štruktúru s jasnými čiarami spájajúcimi dve podmriežky, ktoré pripomínajú H-väzby (2a, napravo).
Výpočty funkčnej teórie hustoty ukazujú, že dvojrozmerný ľad pestovaný na povrchu Au(111) zodpovedá vzájomne prepojenej dvojvrstvovej štruktúre ľadu (2s), pozostávajúce z dvoch plochých šesťhranných vrstiev vody. Šesťuholníky týchto dvoch listov sú spojené a uhol medzi molekulami vody v rovine je 120°.
V každej vrstve vody leží polovica molekúl vody horizontálne (rovnobežne so substrátom) a druhá polovica leží vertikálne (kolmo k substrátu), pričom jeden O–H smeruje nahor alebo nadol. Vertikálne ležiaca voda v jednej vrstve odovzdáva H-väzbu horizontálnej vode v ďalšej vrstve, čo vedie k úplne nasýtenej štruktúre v tvare H.
Simulácia AFM pomocou štvorpólového (dz 2) hrotu (2b) na základe vyššie uvedeného modelu je v dobrej zhode s experimentálnymi výsledkami (2a). Bohužiaľ, podobné výšky horizontálnej a vertikálnej vody sťažujú ich identifikáciu počas zobrazovania STM. Pri použití mikroskopie atómovej sily sú však molekuly oboch typov vody jasne rozlíšiteľné (2a и 2b vpravo), pretože elektrostatická sila vyššieho rádu je veľmi citlivá na orientáciu molekúl vody.
Ďalej bolo možné určiť OH smerovosť horizontálnej a vertikálnej vody prostredníctvom interakcie medzi elektrostatickými silami vyššieho rádu a Pauliho odpudivými silami, ako je znázornené červenými čiarami v 2 и 2b (v strede).
Obrázok č. 3
Na obrázkoch 3 и 3b (Stage 1) ukazuje zväčšené AFM obrázky cikcakovitých a kreslových plutiev. Zistilo sa, že cik-cak okraj rastie pri zachovaní svojej pôvodnej štruktúry a s rastom okraja v tvare stoličky sa okraj obnovuje v periodickej štruktúre 5756 prstencov, t.j. kedy sa v štruktúre rebier periodicky opakuje postupnosť päťuholník – sedemuholník – päťuholník – šesťuholník.
Výpočty funkčnej teórie hustoty ukazujú, že najstabilnejšie sú nezrekonštruovaná kľukatá plutva a plutva stoličky 5756. Hrana 5756 je vytvorená ako výsledok kombinovaných efektov, ktoré minimalizujú počet nenasýtených vodíkových väzieb a znižujú energiu napätia.
Vedci pripomínajú, že bazálne roviny šesťuholníkového ľadu zvyčajne končia kľukatými rebrami a rebrá v tvare stoličky chýbajú kvôli vyššej hustote nenasýtených vodíkových väzieb. Avšak v malých systémoch alebo tam, kde je priestor obmedzený, môžu rebrá stoličky znížiť svoju energiu správnym prepracovaním.
Ako už bolo spomenuté vyššie, keď sa zastavil rast ľadu pri 120 K, vzorka sa okamžite ochladila na 5 K, aby sa pokúsili zmraziť metastabilné alebo prechodové okrajové štruktúry a zabezpečili relatívne dlhú životnosť vzorky na podrobné štúdium pomocou STM a AFM. Taktiež bolo možné zrekonštruovať proces rastu dvojrozmerného ľadu (obrázok č. 3) vďaka CO-funkcionalizovanému hrotu mikroskopu, ktorý umožnil detekovať metastabilné a prechodové štruktúry.
V prípade kľukatých rebier sa niekedy našli jednotlivé päťuholníky pripevnené k rovným rebrám. Mohli sa zoradiť v rade a vytvoriť pole s periodicitou 2 x aice (aice je mriežková konštanta dvojrozmerného ľadu). Toto pozorovanie môže naznačovať, že rast kľukatých hrán je iniciovaný vytvorením periodickej sústavy päťuholníkov (3, krok 1-3), ktorý zahŕňa pridanie dvoch vodných párov pre päťuholník (červené šípky).
Ďalej je pole päťuholníkov spojené tak, aby vytvorilo štruktúru ako 56665 (3, fáza 4) a potom obnoví pôvodný cik-cak vzhľad pridaním ďalšej vodnej pary.
Pri okrajoch v tvare stoličky je situácia opačná - nie sú tam žiadne polia päťuholníkov, ale namiesto toho sú pomerne často pozorované krátke medzery ako 5656 na okraji. Dĺžka plutvy 5656 je výrazne kratšia ako plutva 5756. Možno je to preto, že plutva 5656 je veľmi namáhaná a menej stabilná ako plutva 5756. Počnúc plutvou stoličky 5756 sa 575 krúžkov lokálne prevedie na 656 krúžkami pridaním dvoch vodná para (3b, fáza 2). Ďalej prstence 656 rastú v priečnom smere a tvoria okraj typu 5656 (3b, stupeň 3), ale s obmedzenou dĺžkou v dôsledku akumulácie deformačnej energie.
Ak sa k šesťuholníku plutvy 5656 pridá jeden vodný pár, deformácia môže byť čiastočne oslabená, čo opäť povedie k vytvoreniu plutvy 5756 (3b, fáza 4).
Vyššie uvedené výsledky sú veľmi indikatívne, ale rozhodli sme sa ich podporiť ďalšími údajmi získanými z výpočtov molekulárnej dynamiky vodnej pary na povrchu Au (111).
Zistilo sa, že na povrchu sa úspešne a bez prekážok vytvorili XNUMXD dvojvrstvové ľadové ostrovy, čo je v súlade s našimi experimentálnymi pozorovaniami.
Obrázok č. 4
Na obrázku 4 Mechanizmus kolektívneho vytvárania mostíkov na cikcakových rebrách je znázornený krok za krokom.
Nižšie sú uvedené mediálne materiály o tejto štúdii s popisom.
Mediálny materiál č.1
Stojí za zmienku, že jeden päťuholník pripojený k cikcak hrane nemôže pôsobiť ako lokálne jadrové centrum na podporu rastu.
Mediálny materiál č.2
Namiesto toho sa na kľukatej hrane spočiatku vytvorí periodická, ale neprepojená sieť päťuholníkov a následné prichádzajúce molekuly vody sa spoločne pokúšajú spojiť tieto päťuholníky, čo vedie k vytvoreniu reťazovej štruktúry typu 565. Žiaľ, takáto štruktúra nebola pozorovaná počas praktické pozorovania, čo vysvetľuje jeho extrémne krátku životnosť.
Mediálny materiál č.3 a č.4
Pridanie jedného páru vody spája štruktúru typu 565 a priľahlý päťuholník, čo vedie k vytvoreniu štruktúry typu 5666.
Štruktúra typu 5666 rastie laterálne, aby vytvorila štruktúru typu 56665 a nakoniec sa vyvinula do plne spojenej šesťuholníkovej mriežky.
Mediálny materiál č.5 a č.6
Na obrázku 4b rast je znázornený v prípade rebra kresla. Premena z krúžkov typu 575 na krúžky typu 656 začína od spodnej vrstvy, čím sa vytvorí kompozitná štruktúra 575/656, ktorá sa v experimentoch nedá odlíšiť od plutvy typu 5756, pretože je možné zobraziť iba hornú vrstvu dvojvrstvového ľadu. počas experimentov.
Mediálny materiál č.7
Výsledný mostík 656 sa stáva nukleačným centrom pre rast rebra 5656.
Mediálny materiál č.8
Pridanie jednej molekuly vody k okraju 5656 vedie k vysoko mobilnej nepárovej štruktúre molekúl.
Mediálny materiál č.9
Dve z týchto nepárových molekúl vody sa môžu následne spojiť do stabilnejšej sedemuholníkovej štruktúry, čím sa dokončí konverzia z 5656 na 5756.
Pre podrobnejšie oboznámenie sa s nuansami štúdie odporúčam pozrieť .
Epilóg
Hlavným záverom tejto štúdie je, že pozorované správanie štruktúr počas rastu môže byť spoločné pre všetky typy dvojrozmerného ľadu. Dvojvrstvový hexagonálny ľad sa tvorí na rôznych hydrofóbnych povrchoch a za podmienok hydrofóbneho zadržania, a preto ho možno považovať za samostatný 2D kryštál (2D ľad I), ktorého tvorba je necitlivá na podkladovú štruktúru substrátu.
Vedci úprimne tvrdia, že ich zobrazovacia technika zatiaľ nie je vhodná na prácu s trojrozmerným ľadom, ale výsledky štúdia dvojrozmerného ľadu môžu slúžiť ako základ pre vysvetlenie procesu tvorby jeho objemového príbuzného. Inými slovami, pochopenie toho, ako sa tvoria dvojrozmerné štruktúry, je dôležitým základom pre štúdium trojrozmerných štruktúr. Práve za týmto účelom plánujú výskumníci svoju metódu v budúcnosti vylepšiť.
Ďakujem za prečítanie, buďte zvedaví a prajeme vám skvelý týždeň, priatelia. 🙂
Nejaké inzeráty 🙂
Ďakujeme, že ste zostali s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavého obsahu? Podporte nás zadaním objednávky alebo odporučením priateľom, , jedinečný analóg serverov základnej úrovne, ktorý sme pre vás vymysleli: (k dispozícii s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 krát lacnejší v dátovom centre Equinix Tier IV v Amsterdame? Len tu v Holandsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 USD! Čítať o
Zdroj: hab.com