Сви знају да се вода јавља у три агрегатна стања. Стављамо чајник, а вода почиње да кључа и испарава, претварајући се из течног у гасовито. Стављамо га у замрзивач и почиње да се претвара у лед, прелазећи из течног у чврсто стање. Међутим, под одређеним околностима, водена пара присутна у ваздуху може одмах прећи у чврсту фазу, заобилазећи течну фазу. Овај процес познајемо по резултату - прелепим шарама на прозорима у мразном зимском дану. Љубитељи аутомобила, када стружу слој леда са ветробранског стакла, често карактеришу овај процес користећи не баш научне, али веома емотивне и живописне епитете. На овај или онај начин, детаљи формирања дводимензионалног леда су дуги низ година били обавијени велом тајне. А недавно је, по први пут, међународни тим научника успео да визуелизује атомску структуру дводимензионалног леда током његовог формирања. Које се тајне крију у овом наизглед једноставном физичком процесу, како су научници успели да их открију и како су њихова открића корисна? О томе ће нам рећи извештај истраживачке групе. Иди.
Основа истраживања
Ако претерујемо, онда су практично сви објекти око нас тродимензионални. Међутим, ако неке од њих размотримо детаљније, можемо пронаћи и дводимензионалне. Кора леда која се формира на површини нечега је одличан пример за то. Постојање оваквих структура није тајна за научну заједницу, јер су више пута анализиране. Али проблем је у томе што је прилично тешко визуализовати метастабилне или средње структуре укључене у формирање 2Д леда. То је због баналних проблема - крхкости и крхкости структура које се проучавају.
На срећу, савремене методе скенирања омогућавају да се узорци анализирају уз минималан утицај, што омогућава да се добију максимални подаци у кратком временском периоду, због горе наведених разлога. У овој студији, научници су користили микроскопију без контакта са атомском силом, са врхом игле микроскопа обложеним угљен-моноксидом (ЦО). Комбинација ових алата за скенирање омогућава добијање слика у реалном времену ивичних структура дводимензионалног двослојног хексагоналног леда узгојеног на златној (Ау) површини.
Микроскопија је показала да током формирања дводимензионалног леда у његовој структури истовремено коегзистирају две врсте ивица (сегмената који спајају два врха полигона): цик-цак (зигзаг) и у облику столице (фотеља).
Фотеље (лево) и цик-цак (десно) ивице користећи графен као пример.
У овој фази, узорци су брзо замрзнути, што је омогућило да се атомска структура детаљно испита. Такође је спроведено моделирање чији су се резултати у великој мери поклапали са резултатима посматрања.
Утврђено је да се у случају формирања цик-цак ребара на постојећу ивицу додаје додатни молекул воде, а цео процес се регулише механизмом премошћавања. Али у случају формирања ребара фотеље, нису откривени додатни молекули, што је снажно у супротности са традиционалним идејама о расту двослојног хексагоналног леда и дводимензионалних хексагоналних супстанци уопште.
Зашто су научници за своја посматрања изабрали бесконтактни микроскоп атомске силе, а не скенирајући тунелски микроскоп (СТМ) или трансмисиони електронски микроскоп (ТЕМ)? Као што већ знамо, избор је повезан са тешкоћом проучавања краткотрајних и крхких структура дводимензионалног леда. СТМ је раније коришћен за проучавање 2Д леда који се узгаја на различитим површинама, али овај тип микроскопа није осетљив на положај језгара, а његов врх може да изазове грешке у сликању. ТЕМ, напротив, савршено показује атомску структуру ребара. Међутим, добијање висококвалитетних слика захтева електроне високе енергије, који могу лако да промене или чак униште структуру ивица ковалентно везаних XNUMXД материјала, а да не помињемо лабавије везане ивице у XNUMXД леду.
Микроскоп атомске силе нема такве недостатке, а врх обложен ЦО омогућава проучавање међуфазне воде са минималним утицајем на молекуле воде.
Резултати истраживања
Слика #1
Дводимензионални лед је узгајан на површини Ау(111) на температури од око 120 К, а његова дебљина је била 2.5 А (КСНУМКС).
СТМ слике леда (1c) и одговарајућу слику брзе Фуријеове трансформације (уметнута у КСНУМКС) показују добро уређену хексагоналну структуру са периодичношћу од Ау(111)-√3 к √3-30°. Иако је ћелијска Х-повезана мрежа 2Д леда видљива на СТМ слици, детаљну топологију ивичних структура је тешко одредити. Истовремено, АФМ са помаком фреквенције (Δф) исте површине узорка дао је боље слике (1d), што је омогућило визуализацију пресека конструкције у облику столице и цик-цак. Укупна дужина обе варијанте је упоредива, али је просечна дужина ребра претходника нешто дужа (1b). Цик-цак ребра могу нарасти до 60 А у дужину, али она у облику столице постају прекривена дефектима током формирања, што смањује њихову максималну дужину на 10-30 А.
Затим је спроведено систематско АФМ снимање на различитим висинама игле (КСНУМКС).
Слика #2
На највишој висини врха, када АФМ сигналом доминира електростатичка сила вишег реда, идентификована су два сета подрешета √3 к √3 у дводимензионалном двослојном леду, од којих је једна приказана на КСНУМКС (лево).
На нижим висинама игле, светли елементи овог подниса почињу да показују усмереност, а други подниз се претвара у елемент у облику слова В (2a, центриран).
На минималној висини игле, АФМ открива структуру саћа са јасним линијама које повезују две подрешетке, које подсећају на Х-везе (2a, на десној страни).
Прорачуни теорије функционалне густине показују да дводимензионални лед који расте на површини Ау(111) одговара међусобној двослојној структури леда (КСНУМКСс), који се састоји од два равна шестоугаона слоја воде. Шестоуглови два листа су коњуговани, а угао између молекула воде у равни је 120°.
У сваком слоју воде половина молекула воде лежи хоризонтално (паралелно са подлогом), а друга половина лежи вертикално (управно на подлогу), са једним О–Х усмереним нагоре или надоле. Вода која се вертикално лежи у једном слоју даје Х-везу хоризонталној води у другом слоју, што резултира потпуно засићеном структуром у облику слова Х.
АФМ симулација коришћењем четворополног (дз 2) врха (2b) на основу горњег модела је у доброј сагласности са експерименталним резултатима (2a). Нажалост, сличне висине хоризонталне и вертикалне воде отежавају њихову идентификацију током СТМ снимања. Међутим, када се користи микроскопија атомске силе, молекули обе врсте воде се јасно разликују (2a и 2b десно) јер је електростатичка сила вишег реда веома осетљива на оријентацију молекула воде.
Такође је било могуће даље одредити ОХ усмереност хоризонталне и вертикалне воде кроз интеракцију између електростатичких сила вишег реда и Паулијевих одбојних сила, као што је приказано црвеним линијама у КСНУМКС и 2b (центар).
Слика #3
На сликама КСНУМКС и 3b (Фаза 1) приказује увећане АФМ слике цик-цак пераја и пераја фотеље, респективно. Утврђено је да цик-цак ивица расте уз задржавање првобитне структуре, а са растом ивице у облику столице, ивица се обнавља у периодичној структури од 5756 прстенова, тј. када структура ребара периодично понавља секвенцу петоугао – седмоугао – петоугао – шестоугао.
Прорачуни теорије функционалне густине показују да су нереконструисана цик-цак пераја и пераје столице 5756 најстабилније. Ивица 5756 се формира као резултат комбинованих ефеката који минимизирају број незасићених водоничних веза и смањују енергију деформације.
Научници подсећају да се базалне равни хексагоналног леда обично завршавају цик-цак ребрима, а ребра у облику столице су одсутна због веће густине незасићених водоничних веза. Међутим, у малим системима или где је простор ограничен, пераја столице могу смањити своју енергију правилним редизајнирањем.
Као што је раније поменуто, када је раст леда на 120 К заустављен, узорак је одмах охлађен на 5 К да би покушао да замрзне метастабилне или прелазне ивичне структуре и обезбедио релативно дуг животни век узорка за детаљно проучавање коришћењем СТМ и АФМ. Такође је било могуће реконструисати процес раста дводимензионалног леда (слика бр. 3) захваљујући врху микроскопа са функционалним ЦО, који је омогућио откривање метастабилних и прелазних структура.
У случају цик-цак ребара, поједини петоуглови су се понекад налазили причвршћени за равна ребра. Могли су да се поређају у низу, формирајући низ са периодичношћу од 2 к аице (аице је константа решетке дводимензионалног леда). Ово запажање може указати да је раст цик-цак ивица инициран формирањем периодичног низа петоуглова (КСНУМКС, корак 1-3), који укључује додавање два водена пара за пентагон (црвене стрелице).
Затим, низ петоуглова је повезан да формира структуру попут 56665 (КСНУМКС, фаза 4), а затим враћа оригинални цик-цак изглед додавањем више водене паре.
Са ивицама у облику столице ситуација је супротна - нема низова петоуглова, већ се често примећују кратке празнине попут 5656 на ивици. Дужина пераје 5656 је знатно краћа од оне код 5756. Ово је вероватно зато што је пераја 5656 под великим оптерећењем и мање стабилна од 5756. Почевши од пераје 5756, 575 прстенова се локално претвара у 656 прстенова додавањем два водена пара (3b, фаза 2). Затим, прстенови 656 расту у попречном правцу, формирајући ивицу типа 5656 (3b, фаза 3), али са ограниченом дужином због акумулације енергије деформације.
Ако се један водени пар дода шестоугаонику пераја 5656, деформација може бити делимично ослабљена, а то ће опет довести до формирања пераја 5756 (3b, фаза 4).
Наведени резултати су веома индикативни, али је одлучено да се поткрепе додатним подацима добијеним из прорачуна молекуларне динамике водене паре на површини Ау (111).
Утврђено је да су XNUMXД двослојна ледена острва формирана успешно и несметано на површини, што је у складу са нашим експерименталним запажањима.
Слика #4
На слици КСНУМКС Корак по корак приказан је механизам колективног формирања мостова на цик-цак ребрима.
У наставку су медијски материјали о овој студији са описом.
Медијски материјал бр.1
Вреди напоменути да један петоугао везан за цик-цак ивицу не може деловати као локални нуклеациони центар за промовисање раста.
Медијски материјал бр.2
Уместо тога, периодична, али неповезана мрежа петоуглова се у почетку формира на цик-цак ивици, а накнадни долазни молекули воде заједнички покушавају да повежу ове пентагоне, што резултира формирањем ланчане структуре типа 565. Нажалост, таква структура није примећена током практична запажања, што објашњава њен изузетно кратак животни век.
Медијски материјал бр.3 и бр.4
Додавање једног воденог пара повезује структуру типа 565 и суседни пентагон, што резултира формирањем структуре типа 5666.
Структура типа 5666 расте бочно и формира структуру типа 56665 и на крају се развија у потпуно повезану хексагоналну решетку.
Медијски материјал бр.5 и бр.6
На слици 4b раст је приказан у случају ребра фотеље. Претварање прстенова типа 575 у прстенове типа 656 почиње од доњег слоја, формирајући композитну структуру 575/656 која се у експериментима не може разликовати од пераја типа 5756, пошто се може снимити само горњи слој двослојног леда. током експеримената.
Медијски материјал бр.7
Добијени мост 656 постаје центар нуклеације за раст 5656 ребра.
Медијски материјал бр.8
Додавање једног молекула воде на ивицу 5656 резултира високо покретном неупареном структуром молекула.
Медијски материјал бр.9
Два од ових неупарених молекула воде могу се накнадно комбиновати у стабилнију седмоугаону структуру, довршавајући конверзију од 5656 до 5756.
За детаљније упознавање са нијансама студије, препоручујем да погледате .
Епилог
Главни закључак ове студије је да уочено понашање структура током раста може бити заједничко за све врсте дводимензионалног леда. Двослојни хексагонални лед се формира на различитим хидрофобним површинама и под условима хидрофобног затварања, па се стога може сматрати засебним 2Д кристалом (2Д лед И), чије је формирање неосетљиво на основну структуру супстрата.
Научници искрено кажу да њихова техника снимања још није погодна за рад са тродимензионалним ледом, али резултати проучавања дводимензионалног леда могу послужити као основа за објашњење процеса формирања његовог волуметријског сродника. Другим речима, разумевање начина на који се формирају дводимензионалне структуре је важна основа за проучавање тродимензионалних структура. У ту сврху истраживачи планирају да унапреде своју методологију у будућности.
Хвала на читању, останите радознали и желим вам одличну недељу. 🙂
Неки огласи 🙂
Хвала вам што сте остали са нама. Да ли вам се свиђају наши чланци? Желите да видите још занимљивијег садржаја? Подржите нас тако што ћете наручити или препоручити пријатељима, , јединствени аналог сервера почетног нивоа, који смо ми измислили за вас: (доступно са РАИД1 и РАИД10, до 24 језгра и до 40 ГБ ДДР4).
Делл Р730кд 2 пута јефтинији у Екуиник Тиер ИВ дата центру у Амстердаму? Само овде у Холандији! Делл Р420 - 2к Е5-2430 2.2Гхз 6Ц 128ГБ ДДР3 2к960ГБ ССД 1Гбпс 100ТБ - од 99 долара! Читали о
Извор: ввв.хабр.цом