Të gjithë e dinë se uji ndodh në tre gjendje grumbullimi. Vendosim kazanin dhe uji fillon të vlojë dhe të avullojë, duke u kthyer nga i lëngshëm në i gaztë. E vendosim në frigorifer dhe fillon të kthehet në akull, duke lëvizur kështu nga një gjendje e lëngshme në një gjendje të ngurtë. Megjithatë, në rrethana të caktuara, avulli i ujit i pranishëm në ajër mund të kalojë menjëherë në fazën e ngurtë, duke anashkaluar fazën e lëngshme. Ne e njohim këtë proces nga rezultati i tij - modele të bukura në dritare në një ditë të ftohtë dimri. Të apasionuarit pas makinave, kur gërvishtin një shtresë akulli nga xhami i përparmë, shpesh e karakterizojnë këtë proces duke përdorur epitete jo shumë shkencore, por shumë emocionale dhe të gjalla. Në një mënyrë apo tjetër, detajet e formimit të akullit dydimensional u mbuluan në fshehtësi për shumë vite. Dhe së fundmi, për herë të parë, një ekip ndërkombëtar shkencëtarësh ishte në gjendje të vizualizonte strukturën atomike të akullit dydimensional gjatë formimit të tij. Cilat sekrete fshihen në këtë proces fizik në dukje të thjeshtë, si arritën shkencëtarët t'i zbulonin ato dhe si janë të dobishme gjetjet e tyre? Raporti i grupit hulumtues do të na tregojë për këtë. Shkoni.
Baza e studimit
Nëse ekzagjerojmë, atëherë praktikisht të gjitha objektet rreth nesh janë tre-dimensionale. Megjithatë, nëse i konsiderojmë disa prej tyre më përpikëri, mund të gjejmë edhe ato dydimensionale. Një kore akulli që formohet në sipërfaqen e diçkaje është një shembull kryesor i kësaj. Ekzistenca e strukturave të tilla nuk është sekret për komunitetin shkencor, sepse ato janë analizuar shumë herë. Por problemi është se është mjaft e vështirë të vizualizohen strukturat metastabile ose të ndërmjetme të përfshira në formimin e akullit 2D. Kjo është për shkak të problemeve banale - brishtësisë dhe brishtësisë së strukturave që studiohen.
Për fat të mirë, metodat moderne të skanimit lejojnë që mostrat të analizohen me ndikim minimal, gjë që mundëson marrjen e të dhënave maksimale në një periudhë të shkurtër kohore, për arsyet e mësipërme. Në këtë studim, shkencëtarët përdorën mikroskopin e forcës atomike pa kontakt, me majën e gjilpërës së mikroskopit të veshur me monoksid karboni (CO). Kombinimi i këtyre mjeteve të skanimit bën të mundur marrjen e imazheve në kohë reale të strukturave skajore të akullit gjashtëkëndor dydimensional të dyfishtë të rritur në një sipërfaqe ari (Au).
Mikroskopi ka treguar se gjatë formimit të akullit dydimensional, në strukturën e tij bashkëjetojnë njëkohësisht dy lloje tehe (segmente që lidhin dy kulme të një poligoni): zigzag (zigzag) dhe në formë karrige (kolltuk).
Skajet e kolltukut (majtas) dhe zigzag (djathtas) duke përdorur grafen si shembull.
Në këtë fazë, mostrat u ngrinë shpejt, duke lejuar që struktura atomike të ekzaminohet në detaje. U krye edhe modelimi, rezultatet e të cilit përkonin kryesisht me rezultatet e vëzhgimit.
U zbulua se në rastin e formimit të brinjëve zigzag, një molekulë uji shtesë i shtohet skajit ekzistues dhe i gjithë procesi rregullohet nga mekanizmi i urës. Por në rastin e formimit të brinjëve të kolltukut, nuk u zbuluan molekula shtesë, gjë që bie në kundërshtim të fortë me idetë tradicionale për rritjen e akullit gjashtëkëndor me dy shtresa dhe substancave gjashtëkëndore dydimensionale në përgjithësi.
Pse shkencëtarët zgjodhën një mikroskop të forcës atomike pa kontakt për vëzhgimet e tyre në vend të një mikroskop tunelimi skanues (STM) ose mikroskop elektronik transmetimi (TEM)? Siç e dimë tashmë, zgjedhja lidhet me vështirësinë e studimit të strukturave jetëshkurtër dhe të brishtë të akullit dydimensional. STM është përdorur më parë për të studiuar akullin 2D të rritur në sipërfaqe të ndryshme, por ky lloj mikroskopi nuk është i ndjeshëm ndaj pozicionit të bërthamave dhe maja e tij mund të shkaktojë gabime në imazhe. TEM, përkundrazi, tregon në mënyrë të përsosur strukturën atomike të brinjëve. Megjithatë, marrja e imazheve me cilësi të lartë kërkon elektrone me energji të lartë, të cilat mund të ndryshojnë lehtësisht ose madje të shkatërrojnë strukturën e skajit të materialeve XNUMXD të lidhura në mënyrë kovalente, për të mos përmendur skajet e lidhura më lirshëm në akullin XNUMXD.
Një mikroskop i forcës atomike nuk ka disavantazhe të tilla, dhe një majë e veshur me CO lejon studimin e ujit ndërfaqe me ndikim minimal në molekulat e ujit.
Rezultatet e studimit
Imazhi numër 1
Akulli dydimensional u rrit në sipërfaqen Au(111) në një temperaturë prej rreth 120 K dhe trashësia e tij ishte 2.5 Å (1a).
Imazhet STM të akullit (1c) dhe imazhin përkatës të transformimit të shpejtë të Furierit (futur në 1a) tregojnë një strukturë gjashtëkëndore të rregulluar mirë me një periodicitet Au(111)-√3 x √3-30°. Megjithëse rrjeti celular i lidhur me H i akullit 2D është i dukshëm në imazhin STM, topologjia e detajuar e strukturave të skajit është e vështirë të përcaktohet. Në të njëjtën kohë, AFM me një zhvendosje frekuence (Δf) të së njëjtës zonë të mostrës dha imazhe më të mira (1d), i cili bëri të mundur vizualizimin e seksioneve në formë karrige dhe zigzag të strukturës. Gjatësia totale e të dy varianteve është e krahasueshme, por gjatësia mesatare e brinjës paraardhëse është pak më e gjatë (1b). Brinjët zigzag mund të rriten deri në 60 Å në gjatësi, por ato në formë karrige mbulohen me defekte gjatë formimit, gjë që redukton gjatësinë e tyre maksimale në 10-30 Å.
Më pas, imazhi sistematik AFM u krye në lartësi të ndryshme të gjilpërave (2a).
Imazhi numër 2
Në lartësinë më të lartë të majës, kur sinjali AFM dominohet nga forca elektrostatike e rendit më të lartë, u identifikuan dy grupe nën-grilash √3 x √3 në akull të dyfishtë dydimensional, njëra prej të cilave tregohet në 2a (majtas).
Në lartësitë më të ulëta të gjilpërës, elementët e shndritshëm të këtij nëngrupi fillojnë të tregojnë drejtim, dhe nëngrupi tjetër kthehet në një element në formë V (2a, në qendër).
Në lartësinë minimale të gjilpërës, AFM zbulon një strukturë huall mjalti me linja të qarta që lidhin dy nënshtresa, që të kujtojnë lidhjet H (2a, në të djathtë).
Llogaritjet e teorisë funksionale të densitetit tregojnë se akulli dydimensional i rritur në sipërfaqen Au(111) korrespondon me një strukturë akulli të ndërthurur me dy shtresa (Vitet 2), i përbërë nga dy shtresa të sheshta gjashtëkëndore uji. Gjashtëkëndëshat e dy fletëve janë të konjuguara dhe këndi ndërmjet molekulave të ujit në rrafsh është 120°.
Në secilën shtresë uji, gjysma e molekulave të ujit shtrihen horizontalisht (paralelisht me nënshtresën) dhe gjysma tjetër shtrihet vertikalisht (pingule me nënshtresën), me një O-H të drejtuar lart ose poshtë. Uji i shtrirë vertikalisht në një shtresë dhuron një lidhje H me ujin horizontal në një shtresë tjetër, duke rezultuar në një strukturë plotësisht të ngopur në formë H.
Simulimi AFM duke përdorur një tip katërpolësh (dz 2) (2b) bazuar në modelin e mësipërm është në përputhje të mirë me rezultatet eksperimentale (2a). Fatkeqësisht, lartësitë e ngjashme të ujit horizontal dhe vertikal e bëjnë të vështirë identifikimin e tyre gjatë imazhit STM. Megjithatë, kur përdoret mikroskopi i forcës atomike, molekulat e të dy llojeve të ujit dallohen qartë (2a и 2b drejtë) sepse forca elektrostatike e rendit më të lartë është shumë e ndjeshme ndaj orientimit të molekulave të ujit.
Ishte gjithashtu e mundur të përcaktohet më tej drejtimi OH i ujit horizontal dhe vertikal përmes ndërveprimit midis forcave elektrostatike të rendit më të lartë dhe forcave refuzuese Pauli, siç tregohet nga vijat e kuqe në 2a и 2b (qendër).
Imazhi numër 3
Në imazhet 3a и 3b (Faza 1) tregon imazhe të zmadhuara AFM të fijeve zigzag dhe të kolltukut, përkatësisht. U konstatua se buza zigzag rritet duke ruajtur strukturën e saj origjinale dhe me rritjen e skajit në formë karrige, buza rikthehet në strukturën periodike të 5756 unazave, d.m.th. kur struktura e brinjëve përsërit periodikisht sekuencën pesëkëndësh - shtatëkëndësh - pesëkëndësh - gjashtëkëndësh.
Llogaritjet e teorisë funksionale të densitetit tregojnë se fija zigzag e pa rindërtuar dhe finja e karriges 5756 janë më të qëndrueshmet. Skaji 5756 është formuar si rezultat i efekteve të kombinuara që minimizojnë numrin e lidhjeve të pangopura të hidrogjenit dhe zvogëlojnë energjinë e tendosjes.
Shkencëtarët kujtojnë se rrafshet bazale të akullit gjashtëkëndor zakonisht përfundojnë në brinjë zigzag, dhe brinjët në formë karrige mungojnë për shkak të densitetit më të lartë të lidhjeve të pangopura të hidrogjenit. Megjithatë, në sisteme të vogla ose ku hapësira është e kufizuar, pendët e karrigeve mund të zvogëlojnë energjinë e tyre nëpërmjet ridizajnimit të duhur.
Siç u përmend më herët, kur rritja e akullit në 120 K u ndal, kampioni u fto menjëherë në 5 K në përpjekje për të ngrirë strukturat metastabile ose të skajshme në tranzicion dhe për të siguruar një jetë relativisht të gjatë të mostrës për studim të detajuar duke përdorur STM dhe AFM. U bë gjithashtu i mundur rindërtimi i procesit të rritjes së akullit dydimensional (imazhi nr. 3) falë majës së mikroskopit të funksionalizuar me CO, i cili bëri të mundur zbulimin e strukturave metastabile dhe në tranzicion.
Në rastin e brinjëve zigzag, nganjëherë gjendeshin pesëkëndësha individualë të bashkangjitur në brinjët e drejta. Ata mund të rreshtohen në një rresht, duke formuar një grup me një periodicitet prej 2 x ace (ace është konstanta e rrjetës së akullit dydimensional). Ky vëzhgim mund të tregojë se rritja e skajeve zigzag nis nga formimi i një grupi periodik të pesëkëndëshave (3a, hapi 1-3), i cili përfshin shtimin e dy çifteve të ujit për pesëkëndëshin (shigjetat e kuqe).
Më pas, grupi i pesëkëndëshave lidhet për të formuar një strukturë si 56665 (3a, faza 4), dhe më pas rikthen pamjen origjinale zigzag duke shtuar më shumë avuj uji.
Me skajet në formë karrige situata është e kundërta - nuk ka grupe pesëkëndëshash, por përkundrazi vërehen mjaft shpesh boshllëqe të shkurtra si 5656 në skaj. Gjatësia e fin 5656 është dukshëm më e shkurtër se ajo e 5756. Kjo është ndoshta për shkak se fin 5656 është shumë e stresuar dhe më pak e qëndrueshme se 5756. avujt e ujit (3b, faza 2). Më pas, unazat 656 rriten në drejtim tërthor, duke formuar një skaj të tipit 5656 (3b, faza 3), por me një gjatësi të kufizuar për shkak të akumulimit të energjisë së deformimit.
Nëse një palë uji i shtohet gjashtëkëndëshit të një fin 5656, deformimi mund të dobësohet pjesërisht dhe kjo do të çojë përsëri në formimin e një fin 5756 (3b, faza 4).
Rezultatet e mësipërme janë shumë indikative, por u vendos që ato të mbështeten me të dhëna shtesë të marra nga llogaritjet e dinamikës molekulare të avullit të ujit në sipërfaqen Au (111).
U zbulua se ishujt akulli XNUMXD me dy shtresa u formuan me sukses dhe pa pengesa në sipërfaqe, gjë që është në përputhje me vëzhgimet tona eksperimentale.
Imazhi numër 4
Në imazh 4a Mekanizmi i formimit kolektiv të urave në brinjë zigzag tregohet hap pas hapi.
Më poshtë janë materialet mediatike për këtë studim me një përshkrim.
Materiali mediatik nr. 1
Vlen të përmendet se një pesëkëndësh i vetëm i bashkangjitur në një skaj zigzag nuk mund të veprojë si një qendër lokale bërthamore për të nxitur rritjen.
Materiali mediatik nr. 2
Në vend të kësaj, një rrjet periodik, por i palidhur pentagonësh fillimisht formohet në skajin zigzage, dhe molekulat e ujit që vijnë në vijim tentojnë kolektivisht t'i lidhin këta pesëkëndësh, duke rezultuar në formimin e një strukture zinxhiri të tipit 565. Fatkeqësisht, një strukturë e tillë nuk është vërejtur gjatë vëzhgime praktike, gjë që shpjegon jetëgjatësinë e saj jashtëzakonisht të shkurtër.
Materiali mediatik nr.3 dhe nr.4
Shtimi i një çifti uji lidh strukturën e tipit 565 dhe pentagonin ngjitur, duke rezultuar në formimin e strukturës së tipit 5666.
Struktura e tipit 5666 rritet anash për të formuar strukturën e tipit 56665 dhe përfundimisht zhvillohet në një rrjetë gjashtëkëndore plotësisht të lidhur.
Materiali mediatik nr.5 dhe nr.6
Në imazh 4b rritja tregohet në rastin e një brinje kolltuku. Shndërrimi nga unazat e tipit 575 në unazat e tipit 656 fillon nga shtresa e poshtme, duke formuar një strukturë të përbërë 575/656 që nuk mund të dallohet nga një unazë e tipit 5756 në eksperimente, pasi vetëm shtresa e sipërme e akullit me dy shtresa mund të imazhohet. gjatë eksperimenteve.
Materiali mediatik nr. 7
Ura që rezulton 656 bëhet qendra e bërthamës për rritjen e brinjës 5656.
Materiali mediatik nr. 8
Shtimi i një molekule uji në një skaj 5656 rezulton në një strukturë shumë të lëvizshme të molekulës së paçiftuar.
Materiali mediatik nr. 9
Dy nga këto molekula uji të paçiftuara mund të kombinohen më pas në një strukturë më të qëndrueshme shtatëkëndore, duke përfunduar konvertimin nga 5656 në 5756.
Për një kuptim më të detajuar të nuancave të studimit, unë rekomandoj t'i hidhni një sy .
epilog
Përfundimi kryesor i këtij studimi është se sjellja e vëzhguar e strukturave gjatë rritjes mund të jetë e zakonshme për të gjitha llojet e akullit dydimensional. Akulli gjashtëkëndor dyshtresor formohet në sipërfaqe të ndryshme hidrofobike dhe në kushte izolimi hidrofobik, dhe për këtë arsye mund të konsiderohet si një kristal i veçantë 2D (akulli 2D I), formimi i të cilit është i pandjeshëm ndaj strukturës themelore të substratit.
Shkencëtarët sinqerisht thonë se teknika e tyre e imazhit nuk është ende e përshtatshme për të punuar me akull tre-dimensionale, por rezultatet e studimit të akullit dydimensional mund të shërbejnë si bazë për shpjegimin e procesit të formimit të të afërmit të tij vëllimor. Me fjalë të tjera, të kuptuarit se si formohen strukturat dydimensionale është një bazë e rëndësishme për studimin e strukturave tredimensionale. Është për këtë qëllim që studiuesit planifikojnë të përmirësojnë metodologjinë e tyre në të ardhmen.
Faleminderit për leximin, qëndroni kurioz dhe ju uroj një javë të mbarë djema. 🙂
Disa reklama 🙂
Faleminderit që qëndruat me ne. A ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni përmbajtje më interesante? Na mbështesni duke bërë një porosi ose duke rekomanduar miqve, , një analog unik i serverëve të nivelit të hyrjes, i cili u shpik nga ne për ju: (e disponueshme me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 herë më lirë në qendrën e të dhënave Equinix Tier IV në Amsterdam? Vetëm këtu në Holandë! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - nga 99 dollarë! Lexoni rreth
Burimi: www.habr.com