Dunya di sabudeureun urang mangrupakeun hasil gabungan tina loba fenomena jeung prosés tina rupa-rupa élmu, éta ampir teu mungkin keur milih hiji nu pangpentingna. Sanajan sababaraha darajat saingan, loba aspék élmu tangtu mibanda fitur sarupa. Hayu urang nyandak géométri sabagé conto: sagalana urang tingali boga bentuk nu tangtu, nu salah sahiji nu paling umum di alam - bunderan, bunderan, bal, bal (trend dina raray). Kahayang janten buleud diwujudkeun dina planét sareng gugus atom. Tapi salawasna aya pengecualian kana aturan. Élmuwan ti Universitas Leuven (Bélgia) manggihan yén atom emas ngabentuk lain buleud, tapi gugusan piramida. Naon anu nyababkeun kabiasaan atom emas anu teu biasa ieu, naon sipat anu dipiboga ku piramida mulia, sareng kumaha penemuan ieu tiasa diterapkeun dina prakna? Urang diajar ngeunaan ieu tina laporan para ilmuwan. indit.
Dasar panalungtikan
Ayana gugusan atom emas anu teu biasa parantos dipikanyaho salami lami. Struktur ieu gaduh sipat kimiawi sareng éléktronik anu teu biasa, janten minat kana aranjeunna ngan ukur ningkat dina sababaraha taun. Seuseueurna panilitian museurkeun kana ulikan katergantungan dimensi, tapi ulikan sapertos kitu peryogi sintésis anu dikontrol sareng pangukuran presisi luhur.
Alami, aya tipena béda klaster, tapi nu pang populerna di ulikan - Au20, nyaeta, klaster 20 atom emas. Popularitasna kusabab simetris pisan tetrahedral* struktur jeung heran badag HOMO-LUMO (HL) ku gap (gap)*.
Tetrahedron* - a polyhedron kalawan opat triangles sakumaha rupa. Lamun urang nganggap salah sahiji rupa dasarna, mangka tetrahedron bisa disebut piramida triangular.
HOMO-LUMO gap (gap)* - HOMO sareng LUMO mangrupikeun jinis orbital molekul (fungsi matematika anu ngajelaskeun paripolah gelombang éléktron dina molekul). HOMO nangtung pikeun orbital molekul pangeusian pangluhurna, sarta LUMO nangtung pikeun orbital molekular panghandapna unoccupied. Éléktron tina hiji molekul dina kaayaan taneuh ngeusian sakabéh orbital kalawan énergi panghandapna. Orbital nu boga énergi pangluhurna diantara nu dieusian disebut HOMO. Sabalikna, LUMO nyaéta orbital énergi panghandapna. Bédana énergi antara dua jenis orbital ieu disebut gap HOMO-LUMO.
spéktroskopi fotoéléktron Au20 némbongkeun yén gap HOMO-LUMO nyaéta 1.77 eV.
Simulasi anu dilakukeun dina dasar téori fungsional dénsitas (metode pikeun ngitung struktur éléktronik sistem) nunjukkeun yén bédana énergi sapertos kitu tiasa dihontal sacara éksklusif ngaliwatan piramida tétrahedral simetri Td (simétri tétrahedral), anu mangrupikeun géométri anu paling stabil pikeun klaster Au20.
Élmuwan nyatakeun yén panalungtikan saméméhna ngeunaan Au20 masihan hasil anu teu akurat pisan kusabab pajeulitna prosésna. Saméméhna, hiji transmisi scanning mikroskop éléktron dipaké, énergi tinggi tina beam menyimpang hasil observasi: a turun naek konstan Au20 ieu observasi antara konfigurasi struktural béda. Dina 5% tina gambar diala, Au20 klaster éta tétrahedral, sarta dina sésana géométri na ieu sagemblengna disordered. Ku alatan éta, ayana struktur Au20 tétrahedral dina substrat dijieunna tina, contona, karbon amorf boro bisa disebut XNUMX% kabuktian.
Dina ulikan anu urang marios ayeuna, para ilmuwan mutuskeun pikeun ngagunakeun metode anu langkung lembut pikeun diajar Au20, nyaéta scanning tunneling microscopy (STM) sareng scanning tunneling spectroscopy (STS). Obyék observasi nya éta Au20 klaster dina ultrathin NaCl film. STM ngamungkinkeun urang pikeun ngonfirmasi simétri triangular tina struktur piramida, sareng data STS ngamungkinkeun pikeun ngitung celah HOMO-LUMO, anu saloba 2.0 eV.
Persiapan diajar
Lapisan NaCl ditumbuhkeun dina substrat Au(111) ngagunakeun déposisi uap kimia dina 800 K dina kamar STM dina kaayaan vakum ultrahigh.
Ion klaster Au20 dihasilkeun ngaliwatan setup magnetron sputtering jeung ukuran dipilih maké filter massa quadrupole. Sumber sputtering dioperasikeun dina modeu kontinyu sarta ngahasilkeun fraksi badag tina klaster muatan, nu salajengna diasupkeun kana filter massa quadrupole. Kluster anu dipilih disimpen kana substrat NaCl/Au(111). Pikeun déposisi dénsitas rendah, fluks klaster nyaéta 30 pA (picoamps) sareng waktos déposisi nyaéta 9 menit; pikeun déposisi dénsitas tinggi, éta 1 nA (nanoamps) sareng 15 menit. Tekanan dina chamber éta 10-9 mbar.
Hasil panilitian
Kluster Au20 anionik anu dipilih sacara massal kalayan kapadetan cakupan anu handap pisan disimpen dina suhu kamar kana kapuloan NaCl ultrathin, kalebet 2L, 3L, sareng 4L (lapisan atom).
Gambar #1
on 1A Ieu bisa ditempo yén lolobana NaCl dipelak boga tilu lapisan, wewengkon dua jeung opat lapisan nempatan wewengkon leutik, sarta wewengkon 5L praktis bolos.
klaster Au20 kapanggih dina wewengkon tilu- jeung opat-lapisan, tapi éta bolos dina 2L. Ieu dijelaskeun ku kanyataan yén Au20 tiasa nembus 2L NaCl, tapi dina kasus 3L sareng 4L NaCl, éta disimpen dina permukaanna. Dina kapadetan palapis low di wewengkon 200 x 200 nm, ti 0 nepi ka 4 klaster dititénan tanpa tanda Au20 aglomerasi (akumulasi).
Kusabab résistansi anu luhur teuing tina 4L NaCl sareng instability nalika nyeken Au20 tunggal dina 4L NaCl, para ilmuwan konsentrasi kana diajar klaster dina 3L NaCl.
Gambar #2
Mikroskopi klaster dina 3L NaCl némbongkeun jangkungna maranéhanana nyaéta 0.88 ± 0.12 nm. Angka ieu saluyu sareng hasil modél, anu diprediksi jangkungna 0.94 ± 0.01 nm (2A). Mikroskopi ogé némbongkeun yén sababaraha klaster boga wangun triangular kalawan hiji atom nonjol di luhur, nu dina praktekna confirms panalungtikan teoritis ngeunaan bentuk piramida tina struktur Au20 (2B).
Élmuwan nyatet yén nalika ngabayangkeun objék tilu diménsi anu leutik pisan, sapertos klaster Au20, sesah pisan pikeun ngahindarkeun sababaraha kasalahan. Pikeun kéngingkeun gambar anu paling akurat (duanana tina sudut pandang atom sareng géométri), anjeun kedah nganggo tip mikroskop Cl-functionalized anu seukeut sacara atom. Bentuk piramida diidentifikasi dina dua klaster (1V и 1S), gambar tilu diménsi anu dipidangkeun dina 1D и 1E, masing-masing.
Sanaos bentuk segitiga sareng distribusi jangkungna nunjukkeun yén klaster anu disimpen ngajaga bentuk piramida, gambar STM (1V и 1S) teu némbongkeun struktur tétrahedral sampurna. Sudut panggedena dina poto 1V nyaeta ngeunaan 78 °. Sareng ieu 30% langkung ti 60 ° pikeun tetrahedron idéal sareng simétri Td.
Meureun aya dua alesan pikeun ieu. Anu mimiti, aya kasalahan dina pencitraan sorangan, disababkeun ku pajeulitna prosés ieu sareng ku kanyataan yén ujung jarum mikroskop henteu kaku, sareng ieu ogé tiasa ngarobih gambar. Alesan anu kadua nyaéta kusabab distorsi internal tina Au20 anu dirojong. Nalika Au20 klaster kalawan Td simetri darat dina kisi NaCl pasagi, nu mismatch simetri distorts struktur tétrahedral idéal Au20.
Pikeun mendakan alesan panyimpangan sapertos kitu dina poto, para ilmuwan nganalisis data ngeunaan simétri tina tilu struktur Au20 anu dioptimalkeun dina NaCl. Hasilna, kapanggih yén klaster ngan rada menyimpang tina struktur tétrahedral idéal kalawan simétri Td kalawan simpangan maksimum dina posisi atom 0.45. Ku alatan éta, distorsi dina gambar mangrupa hasil tina akurat dina prosés Imaging sorangan, sarta henteu sagala simpangan dina déposisi klaster dina substrat jeung / atawa interaksi antara aranjeunna.
Henteu ngan ukur data topografi mangrupikeun tanda anu jelas ngeunaan struktur piramida klaster Au20, tapi ogé gap HL anu cukup ageung (kira-kira 1.8 eV) dibandingkeun sareng Au20 anu sanés. isomér* kalawan énergi handap (dina tiori handap 0.5 eV).
Isomer* - struktur nu idéntik dina komposisi atom jeung beurat molekul, tapi béda dina struktur atawa susunan atom maranéhanana.
Analisis sipat éléktronik klaster disimpen dina substrat ngagunakeun scanning tunneling spéktroskopi (1F) ngamungkinkeun pikeun ménta spéktrum konduktivitas diferensial (dI / dV) klaster Au20, nu nembongkeun gap band badag (Contona) sarua jeung 3.1 eV.
Kusabab kluster ieu dibeulah listrik ku insulating film NaCl, hiji dobel-panghalang torowongan simpang (DBTJ) kabentuk, nu ngabalukarkeun épék tunneling-éléktron tunggal. Ku alatan éta, discontinuity dina spéktrum dI/dV mangrupa hasil gawé gabungan tina discontinuity HL kuantum (EHL) jeung énergi Coulomb klasik (Ec). Pangukuran putus dina spéktrum nunjukkeun tina 2.4 dugi ka 3.1 eV pikeun tujuh klaster (1F). Discontinuities katalungtik leuwih badag batan discontinuities HL (1.8 eV) dina fase gas Au20.
Variabilitas ngarecah dina klaster béda téh alatan prosés pangukuran sorangan (posisi jarum relatif ka klaster). Gap panggedéna diukur dina spéktra dI/dV nyaéta 3.1 eV. Dina hal ieu, ujung ieu lokasina tebih ti kluster, nu ngajadikeun kapasitansi listrik antara tip sarta klaster kirang ti éta antara klaster jeung Au (111) substrat.
Salajengna, urang ngalaksanakeun itungan pecahan HL tina klaster Au20 gratis sareng anu aya dina 3L NaCl.
Grafik 2C nembongkeun dénsitas simulated kurva kaayaan keur gas-fase Au20 tetrahedron anu HL gap 1.78 eV. Nalika kluster aya dina 3L NaCl / Au (111), distorsi ningkat sareng jurang HL turun tina 1.73 ka 1.51 eV, anu dibandingkeun sareng gap HL 2.0 eV diala nalika pangukuran ékspérimén.
Dina panilitian saméméhna, kapanggih yén isomér Au20 kalayan struktur Cs-simétri gaduh gap HL sakitar 0.688 eV, sareng struktur kalayan simétri amorf - 0.93 eV. Nyandak kana akun observasi ieu sareng hasil pangukuran, para ilmuwan dugi ka kacindekan yén gap band ageung tiasa ngan ukur dina kaayaan struktur piramida tétrahedral.
Tahap satuluyna panalungtikan nya éta ulikan ngeunaan interaksi klaster-kluster, nu leuwih Au3 (kanaékan dénsitas) disimpen dina substrat 111L NaCl/Au(20).
Gambar #3
Dina gambar 3A gambar STM topographic tina klaster disimpen ditémbongkeun. Kira-kira 100 klaster dititénan di wewengkon scanning (100 nm x 30 nm). Ukuran gugus interaksi dina 3L NaCl boh leuwih badag atawa sarua jeung ukuran nu ditalungtik dina percobaan kalawan klaster tunggal. Ieu tiasa dijelaskeun ku difusi sareng aglomerasi (gumpalan) dina permukaan NaCl dina suhu kamar.
Akumulasi sareng kamekaran klaster tiasa dijelaskeun ku dua mékanisme: Ostwald ripening (recondensation) sareng Smoluchowski ripening (enlargement of islands). Dina kasus ripening Ostwald, klaster anu langkung ageung tumbuh kalayan biaya anu langkung alit, nalika atom-atom anu terakhir dipisahkeun ti aranjeunna sareng sumebar ka anu tatangga. Salila Smoluchowski ripening, partikel gedé kabentuk salaku hasil tina migrasi jeung aglomerasi sakabéh klaster. Hiji jinis ripening tiasa dibédakeun tina anu sanés sapertos kieu: kalayan ripening Ostwald, distribusi ukuran klaster ngembang sareng kontinyu, sareng kalayan ripening Smoluchowski, ukuranana disebarkeun sacara diskrit.
Dina bagan 3V и 3S hasil analisis leuwih ti 300 klaster ditémbongkeun, i.e. distribusi ukuran. Kisaran jangkungna klaster anu dititénan cukup lega, tapi tilu kelompok anu paling umum tiasa dibédakeun (3S): 0.85, 1.10 jeung 1.33 nm.
Salaku bisa ditempo dina grafik 3V, aya korelasi antara nilai jangkungna jeung rubak klaster. Struktur klaster anu dititénan nunjukkeun fitur maturasi Smoluchowski.
Aya ogé korelasi antara klaster dina percobaan dénsitas déposisi tinggi jeung low. Ku kituna, sakelompok klaster kalayan jangkungna 0.85 nm konsisten jeung klaster individu kalawan jangkungna 0.88 nm dina percobaan kalawan dénsitas low. Ku alatan éta, klaster ti grup kahiji dibéré nilai Au20, sarta klaster kadua (1.10 nm) jeung katilu (1.33 nm) ditugaskeun nilai Au40 jeung Au60, mungguh.
Gambar #4
Dina gambar 4A urang tiasa ningali béda visual antara tilu kategori klaster, spéktra dI / dV anu dipidangkeun dina grafik. 4V.
Nalika gugus Au20 ngahiji jadi celah énergi anu langkung ageung dina spéktrum, dI/dV turun. Ku kituna, pikeun tiap grup nilai discontinuity handap ieu dicandak: Au20-3.0 eV, Au40-2.0 eV jeung Au60-1.2 eV. Nyandak kana akun data ieu, kitu ogé gambar topografi tina grup ditalungtik, éta bisa pamadegan yén géométri agglomerates klaster leuwih deukeut ka buleud atanapi hémisferik.
Pikeun ngira-ngira jumlah atom dina gugus buleud jeung hémisferik, anjeun tiasa nganggo Ns = [(h/2)/r]3 jeung Nh = 1/2 (h/r)3, dimana h и r ngagambarkeun jangkungna klaster jeung radius hiji atom Au. Ngitung radius Wigner-Seitz pikeun atom emas (r = 0.159 nm), urang tiasa ngitung jumlahna pikeun perkiraan buleud: grup kadua (Au40) - 41 atom, grup katilu (Au60) - 68 atom. Dina perkiraan hémisferik, estimasi jumlah atom 166 jeung 273 nyata leuwih luhur batan Au40 jeung Au60 dina perkiraan buleud. Ku kituna, bisa dicindekkeun yén géométri Au40 jeung Au60 téh buleud tinimbang hémisferik.
Pikeun katingal langkung lengkep ihwal nuances ulikan, abdi nyarankeun nyandak katingal di и ka anjeunna.
epilog
Dina ulikan ieu, para ilmuwan ngagabungkeun scanning tunneling spéktroskopi jeung mikroskop, nu ngidinan aranjeunna pikeun ménta data leuwih akurat ngeunaan géométri klaster atom emas. Ieu kapanggih yén klaster Au20 disimpen dina substrat 3L NaCl / Au (111) nahan struktur pyramidal fase gas na kalawan gap HL badag. Ogé kapanggih yén mékanisme utama tumuwuhna sarta pakaitna klaster kana grup nyaeta maturation Smoluchowski.
Élmuwan nelepon salah sahiji prestasi utama karya maranéhanana teu jadi loba hasil panalungtikan ngeunaan klaster atom, tapi rada metoda ngalakonan ieu panalungtikan. Saméméhna, transmisi scanning mikroskop éléktron dipaké, nu, alatan sipatna, menyimpang hasil observasi. Sanajan kitu, métode anyar dijelaskeun dina karya ieu ngamungkinkeun urang pikeun ménta data akurat.
Diantara hal séjén, ngulik struktur klaster ngamungkinkeun urang ngartos sipat katalitik sareng optikna, anu penting pisan pikeun dianggo dina katalis klaster sareng alat optik. Ayeuna, klaster parantos dianggo dina sél suluh sareng newak karbon. Tapi, numutkeun para ilmuwan sorangan, ieu sanés watesna.
Hatur nuhun pikeun maca, tetep panasaran sareng gaduh minggu anu saé guys. 🙂
Sababaraha iklan 🙂
Hatur nuhun pikeun tetep sareng kami. Naha anjeun resep artikel kami? Hoyong ningali eusi anu langkung narik? Dukung kami ku cara nempatkeun pesenan atanapi nyarankeun ka babaturan, , analog unik tina server tingkat éntri, anu diciptakeun ku kami pikeun anjeun: (sadia kalawan RAID1 na RAID10, nepi ka 24 cores sarta nepi ka 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali langkung mirah dina puseur data Equinix nagara golongan IV di Amsterdam? Ngan di dieu di Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ti $99! Baca ngeunaan
sumber: www.habr.com