Vsi vedo, da se voda pojavlja v treh agregatnih stanjih. Pristavimo kotliček in voda začne vreti in izhlapevati ter se iz tekoče spremeni v plinasto. Postavimo ga v zamrzovalnik in začne se spreminjati v led, s čimer prehaja iz tekočega v trdno stanje. Vendar pa lahko v določenih okoliščinah vodna para, prisotna v zraku, takoj preide v trdno fazo, mimo tekoče faze. Ta postopek poznamo po njegovem rezultatu - čudovitih vzorcih na oknih na mrzli zimski dan. Avtomobilski navdušenci, ko strgajo plast ledu z vetrobranskega stekla, ta proces pogosto označujejo z ne zelo znanstvenimi, a zelo čustvenimi in živimi epiteti. Tako ali drugače so bile podrobnosti o nastanku dvodimenzionalnega ledu dolga leta zavite v skrivnost. Nedavno je mednarodna skupina znanstvenikov prvič lahko vizualizirala atomsko strukturo dvodimenzionalnega ledu med njegovim nastajanjem. Kakšne skrivnosti se skrivajo v tem na videz preprostem fizičnem procesu, kako so jih znanstveniki uspeli odkriti in kako so njihova dognanja uporabna? O tem nam bo povedalo poročilo raziskovalne skupine. pojdi
Raziskovalna osnova
Če pretiravamo, so tako rekoč vsi predmeti okoli nas tridimenzionalni. Če pa nekatere izmed njih obravnavamo bolj natančno, lahko najdemo tudi dvodimenzionalne. Ledena skorja, ki se oblikuje na površini nečesa, je odličen primer tega. Obstoj takšnih struktur za znanstveno skupnost ni skrivnost, saj so bile že večkrat analizirane. Toda težava je v tem, da je precej težko vizualizirati metastabilne ali vmesne strukture, ki sodelujejo pri nastajanju 2D ledu. To je posledica banalnih težav - krhkosti in krhkosti preučevanih struktur.
Na srečo sodobne metode skeniranja zaradi zgornjih razlogov omogočajo analizo vzorcev z minimalnim vplivom, kar omogoča, da se v kratkem času pridobi največ podatkov. V tej študiji so znanstveniki uporabili brezkontaktno mikroskopijo na atomsko silo, s konico igle mikroskopa, prevlečeno z ogljikovim monoksidom (CO). Kombinacija teh orodij za skeniranje omogoča pridobivanje slik v realnem času robnih struktur dvodimenzionalnega dvoslojnega šesterokotnega ledu, gojenega na zlati (Au) površini.
Mikroskop je pokazal, da med nastajanjem dvodimenzionalnega ledu v njegovi strukturi sočasno obstajata dve vrsti robov (segmenti, ki povezujejo dve točki poligona): cik-cak (cikcak) in v obliki stola (fotelj).
Fotelj (levo) in cik-cak (desno) robovi na primeru grafena.
Na tej stopnji so bili vzorci hitro zamrznjeni, kar je omogočilo podrobno preiskavo atomske strukture. Izvedeno je bilo tudi modeliranje, katerega rezultati so v veliki meri sovpadali z rezultati opazovanj.
Ugotovljeno je bilo, da se v primeru oblikovanja cik-cak reber obstoječemu robu doda dodatna molekula vode, celoten proces pa uravnava premostitveni mehanizem. Toda v primeru oblikovanja foteljskih reber niso zaznali nobenih dodatnih molekul, kar je v močnem nasprotju s tradicionalnimi predstavami o rasti dvoslojnega heksagonalnega ledu in dvodimenzionalnih heksagonalnih snovi nasploh.
Zakaj so znanstveniki za svoja opazovanja izbrali brezkontaktni mikroskop na atomsko silo namesto vrstičnega tunelskega mikroskopa (STM) ali transmisijskega elektronskega mikroskopa (TEM)? Kot že vemo, je izbira povezana s težavnostjo proučevanja kratkotrajnih in krhkih struktur dvodimenzionalnega ledu. STM je bil prej uporabljen za preučevanje 2D ledu, ki se goji na različnih površinah, vendar ta vrsta mikroskopa ni občutljiva na položaj jeder, njegova konica pa lahko povzroči napake pri slikanju. TEM, nasprotno, odlično prikazuje atomsko strukturo reber. Vendar pridobivanje visokokakovostnih slik zahteva visokoenergijske elektrone, ki lahko zlahka spremenijo ali celo uničijo robno strukturo kovalentno vezanih XNUMXD materialov, da ne omenjamo bolj ohlapno vezanih robov v XNUMXD ledu.
Mikroskop na atomsko silo nima takšnih pomanjkljivosti, konica, prevlečena s CO, pa omogoča preučevanje medfazne vode z minimalnim vplivom na molekule vode.
Rezultati raziskav
Slika #1
Dvodimenzionalni led je bil gojen na površini Au(111) pri temperaturi okoli 120 K, njegova debelina pa je bila 2.5 Å (1).
STM slike ledu (1c) in ustrezna slika s hitro Fourierjevo transformacijo (vstavljena v 1) kažejo dobro urejeno heksagonalno strukturo s periodičnostjo Au(111)-√3 x √3-30°. Čeprav je celično H-povezano omrežje 2D ledu vidno na sliki STM, je podrobno topologijo robnih struktur težko določiti. Hkrati je AFM s frekvenčnim premikom (Δf) istega vzorčnega območja dal boljše slike (1d), kar je omogočilo vizualizacijo stolastih in cikcakastih odsekov strukture. Skupna dolžina obeh različic je primerljiva, vendar je povprečna dolžina rebra predhodnika nekoliko daljša (1b). Cikcakasta rebra lahko zrastejo v dolžino do 60 Å, stolasta pa se med nastajanjem prekrijejo z napakami, kar zmanjša njihovo največjo dolžino na 10-30 Å.
Nato je bilo izvedeno sistematično AFM slikanje na različnih višinah igle (2).
Slika #2
Na najvišji višini konice, ko v signalu AFM prevladuje elektrostatična sila višjega reda, sta bila identificirana dva niza √3 x √3 podmrež v dvodimenzionalnem dvoslojnem ledu, od katerih je eden prikazan na 2 (levo).
Pri nižjih višinah igle začnejo svetli elementi tega podniza kazati usmerjenost, drugi podniz pa se spremeni v element v obliki črke V (2a, na sredini).
Pri najmanjši višini igle AFM razkrije strukturo satja z jasnimi črtami, ki povezujejo dve podmreži, kar spominja na H-vezi (2a, desno).
Izračuni teorije funkcij gostote kažejo, da dvodimenzionalni led, ki raste na površini Au(111), ustreza prepleteni dvoslojni strukturi ledu (2s), sestavljen iz dveh ravnih šesterokotnih plasti vode. Šestokotnika obeh listov sta konjugirana, kot med molekulama vode v ravnini pa je 120°.
V vsaki plasti vode polovica vodnih molekul leži vodoravno (vzporedno s podlago), druga polovica pa navpično (pravokotno na podlago), pri čemer en O–H kaže navzgor ali navzdol. Navpično ležeča voda v eni plasti odda H-vez vodoravni vodi v drugi plasti, kar ima za posledico popolnoma nasičeno strukturo v obliki črke H.
AFM simulacija z uporabo kvadrupolne (dz 2) konice (2b), ki temelji na zgornjem modelu, se dobro ujema z eksperimentalnimi rezultati (2a). Na žalost podobne višine vodoravne in navpične vode otežujejo njihovo identifikacijo med slikanjem STM. Pri uporabi mikroskopije na atomsko silo pa so molekule obeh vrst vode jasno razločljive (2a и 2b desno), ker je elektrostatična sila višjega reda zelo občutljiva na orientacijo vodnih molekul.
Prav tako je bilo mogoče dodatno določiti OH usmerjenost vodoravne in navpične vode z interakcijo med elektrostatičnimi silami višjega reda in Paulijevimi odbojnimi silami, kot kažejo rdeče črte v 2 и 2b (center).
Slika #3
Na slikah 3 и 3b (Stopnja 1) prikazuje povečane AFM slike cik-cak plavuti oziroma plavuti fotelja. Ugotovljeno je bilo, da cikcakasti rob raste ob ohranjanju svoje prvotne strukture, z rastjo stolastega roba pa se rob obnavlja v periodični strukturi 5756 obročev, tj. ko struktura reber periodično ponavlja zaporedje peterokotnik - sedemkotnik - peterokotnik - šestkotnik.
Izračuni teorije funkcionalne gostote kažejo, da sta nerekonstruirana cik-cak plavut in plavut stola 5756 najbolj stabilna. Rob 5756 je oblikovan kot posledica kombiniranih učinkov, ki zmanjšajo število nenasičenih vodikovih vezi in zmanjšajo deformacijsko energijo.
Znanstveniki opozarjajo, da se bazalne ravnine šesterokotnega ledu običajno končajo s cikcakastimi rebri, rebra v obliki stola pa zaradi večje gostote nenasičenih vodikovih vezi niso na voljo. Vendar pa lahko v majhnih sistemih ali kjer je prostor omejen, rebra stola zmanjšajo svojo energijo s pravilno prenovo.
Kot smo že omenili, ko je bila rast ledu pri 120 K ustavljena, je bil vzorec takoj ohlajen na 5 K, da bi poskušali zamrzniti metastabilne ali prehodne robne strukture in zagotoviti relativno dolgo življenjsko dobo vzorca za podrobno študijo z uporabo STM in AFM. Prav tako je bilo mogoče rekonstruirati proces rasti dvodimenzionalnega ledu (slika št. 3) zahvaljujoč CO-funkcionalizirani konici mikroskopa, ki je omogočila odkrivanje metastabilnih in prehodnih struktur.
Pri cikcakastih rebrih so včasih našli posamezne petkotnike pritrjene na ravna rebra. Lahko bi se postavili v vrsto in tvorili niz s periodičnostjo 2 x aice (aice je konstanta mreže dvodimenzionalnega ledu). Ta ugotovitev lahko nakazuje, da se rast cikcakastih robov začne s tvorbo periodičnega niza peterokotnikov (3, korak 1-3), ki vključuje dodajanje dveh vodnih parov za peterokotnik (rdeče puščice).
Nato je niz petkotnikov povezan v strukturo, kot je 56665 (3, stopnja 4), nato pa obnovi prvotni cik-cak videz z dodajanjem več vodne pare.
Pri robovih v obliki stola je situacija nasprotna - ni nizov peterokotnikov, ampak namesto tega pogosto opazimo kratke vrzeli, kot je 5656 na robu. Dolžina plavuti 5656 je znatno krajša kot pri 5756. To je verjetno zato, ker je plavut 5656 zelo obremenjena in manj stabilna kot 5756. Začenši s plavutjo stola 5756 se obroči 575 lokalno pretvorijo v obroče 656 z dodajanjem dveh vodna para (3b, stopnja 2). Nato obroči 656 rastejo v prečni smeri in tvorijo rob tipa 5656 (3b, stopnja 3), vendar z omejeno dolžino zaradi akumulacije deformacijske energije.
Če šesterokotniku rebra 5656 dodamo en vodni par, lahko deformacijo delno oslabimo, kar bo spet povzročilo nastanek rebra 5756 (3b, stopnja 4).
Zgornji rezultati so zelo indikativni, vendar smo se odločili, da jih podpremo z dodatnimi podatki, pridobljenimi z molekularno dinamičnimi izračuni vodne pare na površini Au (111).
Ugotovljeno je bilo, da so se XNUMXD dvoslojni ledeni otoki uspešno in neovirano oblikovali na površini, kar je skladno z našimi eksperimentalnimi opazovanji.
Slika #4
Na sliki 4 Korak za korakom je prikazan mehanizem skupne tvorbe mostov na cikcak rebrih.
Spodaj so medijska gradiva o tej študiji z opisom.
Medijski material št. 1
Treba je omeniti, da en sam peterokotnik, pritrjen na cik-cak rob, ne more delovati kot lokalni nukleacijski center za spodbujanje rasti.
Medijski material št. 2
Namesto tega se na cikcakastem robu sprva oblikuje periodično, a nepovezano omrežje peterokotnikov, poznejše prihajajoče molekule vode pa te petkotnike skupaj poskušajo povezati, kar ima za posledico tvorbo verižne strukture tipa 565. Na žalost takšne strukture niso opazili med praktična opažanja, kar pojasnjuje njegovo izjemno kratko življenjsko dobo.
Medijsko gradivo št. 3 in št. 4
Dodatek enega vodnega para poveže strukturo tipa 565 in sosednji peterokotnik, kar povzroči nastanek strukture tipa 5666.
Struktura tipa 5666 raste bočno, da tvori strukturo tipa 56665 in se sčasoma razvije v popolnoma povezano šesterokotno mrežo.
Medijsko gradivo št. 5 in št. 6
Na sliki 4b rast je prikazana pri foteljskem rebru. Pretvorba iz obročev tipa 575 v obroče tipa 656 se začne pri spodnji plasti in tvori kompozitno strukturo 575/656, ki je v poskusih ni mogoče razlikovati od plavuti tipa 5756, saj je mogoče posneti samo zgornjo plast dvoslojnega ledu. med poskusi.
Medijski material št. 7
Nastali most 656 postane nukleacijski center za rast rebra 5656.
Medijski material št. 8
Dodajanje ene molekule vode na rob 5656 ima za posledico zelo mobilno strukturo neparnih molekul.
Medijski material št. 9
Dve od teh neparnih molekul vode se lahko nato združita v stabilnejšo heptagonalno strukturo, s čimer se zaključi pretvorba iz 5656 v 5756.
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled .
Epilog
Glavni zaključek te študije je, da je opazovano obnašanje struktur med rastjo lahko skupno vsem vrstam dvodimenzionalnega ledu. Dvoslojni heksagonalni led se oblikuje na različnih hidrofobnih površinah in v pogojih hidrofobne omejitve, zato ga lahko obravnavamo kot ločen 2D kristal (2D led I), katerega tvorba je neobčutljiva na osnovno strukturo substrata.
Znanstveniki iskreno pravijo, da njihova tehnika slikanja še ni primerna za delo s tridimenzionalnim ledom, vendar lahko rezultati preučevanja dvodimenzionalnega ledu služijo kot osnova za razlago procesa nastajanja njegovega volumetričnega sorodnika. Z drugimi besedami, razumevanje, kako nastanejo dvodimenzionalne strukture, je pomemben temelj za preučevanje tridimenzionalnih. V ta namen nameravajo raziskovalci v prihodnosti izboljšati svojo metodologijo.
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep teden, fantje. 🙂
Nekaj oglasov 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, , edinstven analog začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd dvakrat cenejši v podatkovnem centru Equinix Tier IV v Amsterdamu? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com