Alla vet att vatten förekommer i tre aggregationstillstånd. Vi sätter på vattenkokaren och vattnet börjar koka och avdunsta och förvandlas från flytande till gasformigt. Vi lägger den i frysen, och den börjar förvandlas till is och går därigenom från flytande till fast tillstånd. Men under vissa omständigheter kan vattenånga som finns i luften omedelbart passera in i den fasta fasen, förbi den flytande fasen. Vi känner till denna process genom dess resultat - vackra mönster på fönstren en frostig vinterdag. Bilentusiaster, när de skrapar ett lager av is från vindrutan, karakteriserar ofta denna process med inte särskilt vetenskapliga, men mycket känslomässiga och levande epitet. På ett eller annat sätt var detaljerna om bildandet av tvådimensionell is höljt i hemlighet under många år. Och nyligen, för första gången, kunde ett internationellt team av forskare visualisera atomstrukturen hos tvådimensionell is under dess bildande. Vilka hemligheter är gömda i denna till synes enkla fysiska process, hur lyckades forskare avslöja dem och hur är deras resultat användbara? Forskningsgruppens rapport kommer att berätta om detta. Gå.
Forskningsunderlag
Om vi överdriver så är praktiskt taget alla föremål runt omkring oss tredimensionella. Men om vi överväger några av dem mer noggrant kan vi också hitta tvådimensionella. En isskorpa som bildas på ytan av något är ett utmärkt exempel på detta. Förekomsten av sådana strukturer är inte en hemlighet för det vetenskapliga samfundet, eftersom de har analyserats många gånger. Men problemet är att det är ganska svårt att visualisera metastabila eller mellanliggande strukturer som är involverade i bildandet av 2D-is. Detta beror på banala problem - bräckligheten och skörheten hos de strukturer som studeras.
Lyckligtvis tillåter moderna skanningsmetoder att prover analyseras med minimal påverkan, vilket gör att maximal data kan erhållas på kort tid, på grund av ovanstående skäl. I denna studie använde forskarna beröringsfri atomkraftsmikroskopi, med spetsen på mikroskopnålen belagd med kolmonoxid (CO). Kombinationen av dessa skanningsverktyg gör det möjligt att erhålla bilder i realtid av kantstrukturerna hos tvådimensionell tvåskikts hexagonal is odlad på en guldyta (Au).
Mikroskopi har visat att under bildandet av tvådimensionell is samexisterar två typer av kanter (segment som förbinder två hörn av en polygon) samtidigt i dess struktur: sicksack (sicksack-) och stolformad (fåtölj).
Fåtölj (vänster) och sicksack (höger) kanter med grafen som exempel.
I detta skede frystes proverna snabbt, vilket gjorde att atomstrukturen kunde undersökas i detalj. Modellering genomfördes också, vars resultat till stor del sammanföll med observationsresultaten.
Det visade sig att i fallet med bildandet av sicksackrevben, läggs ytterligare en vattenmolekyl till den befintliga kanten, och hela processen regleras av överbryggningsmekanismen. Men i fallet med bildandet av fåtöljsrevben upptäcktes inga ytterligare molekyler, vilket starkt står i kontrast till traditionella idéer om tillväxten av tvålagers hexagonal is och tvådimensionella hexagonala ämnen i allmänhet.
Varför valde forskare ett beröringsfritt atomkraftsmikroskop för sina observationer snarare än ett sveptunnelmikroskop (STM) eller transmissionselektronmikroskop (TEM)? Som vi redan vet är valet relaterat till svårigheten att studera de kortlivade och ömtåliga strukturerna hos tvådimensionell is. STM har tidigare använts för att studera 2D-isar som odlats på olika ytor, men den här typen av mikroskop är inte känsliga för kärnornas position och dess spets kan orsaka bildfel. TEM, tvärtom, visar perfekt atomstrukturen hos revbenen. För att få högkvalitativa bilder krävs dock högenergielektroner, som lätt kan förändra eller till och med förstöra kantstrukturen hos kovalent bundna XNUMXD-material, för att inte tala om de mer löst bundna kanterna i XNUMXD-is.
Ett atomkraftmikroskop har inte sådana nackdelar, och en CO-belagd spets tillåter studier av gränssnittsvatten med minimal påverkan på vattenmolekyler.
Forskningsresultat
Bild #1
Tvådimensionell is odlades på Au(111)-ytan vid en temperatur av cirka 120 K, och dess tjocklek var 2.5 Å (1a).
STM-bilder av is (1c) och motsvarande snabba Fourier-transformationsbild (infogad i 1a) visar en välordnad hexagonal struktur med en periodicitet på Au(111)-√3 x √3-30°. Även om det cellulära H-anslutna nätverket av 2D-is är synligt i STM-bilden, är den detaljerade topologin för kantstrukturerna svår att bestämma. Samtidigt gav AFM med en frekvensförskjutning (Δf) av samma provarea bättre bilder (1d), vilket gjorde det möjligt att visualisera stolformade och sicksacksektioner av strukturen. Den totala längden på båda varianterna är jämförbar, men den genomsnittliga längden på föregångaren är något längre (1b). Sicksackrevben kan bli upp till 60 Å långa, men stolformade blir täckta med defekter under bildningen, vilket minskar deras maximala längd till 10-30 Å.
Därefter utfördes systematisk AFM-avbildning vid olika nålhöjder (2a).
Bild #2
Vid den högsta spetshöjden, när AFM-signalen domineras av elektrostatisk kraft av högre ordning, identifierades två uppsättningar av √3 x √3 subgitter i tvådimensionell dubbelskiktsis, varav en visas i 2a (vänster).
Vid lägre nålhöjder börjar de ljusa elementen i denna subarray att visa riktning, och den andra subarrayen förvandlas till ett V-format element (2a, centrerad).
Vid minsta nålhöjd avslöjar AFM en bikakestruktur med tydliga linjer som förbinder två subgitter, som påminner om H-bindningar (2a, till höger).
Beräkningar av densitetsfunktionella teorierna visar att tvådimensionell is som odlas på Au(111)-ytan motsvarar en sammankopplad tvålagers isstruktur (2s), bestående av två platta sexkantiga lager av vatten. Hexagonerna i de två arken är konjugerade, och vinkeln mellan vattenmolekylerna i planet är 120°.
I varje lager av vatten ligger hälften av vattenmolekylerna horisontellt (parallellt med substratet) och den andra halvan ligger vertikalt (vinkelrätt mot substratet), med en O–H pekande uppåt eller nedåt. Vertikalt liggande vatten i ett lager donerar en H-bindning till horisontellt vatten i ett annat lager, vilket resulterar i en helt mättad H-formad struktur.
AFM-simulering med en fyrpolig (dz 2) spets (2b) baserat på ovanstående modell stämmer väl överens med experimentella resultat (2a). Tyvärr gör de liknande höjderna av horisontellt och vertikalt vatten deras identifiering svår under STM-avbildning. Men när man använder atomkraftsmikroskopi är molekylerna i båda typerna av vatten tydligt urskiljbara (2a и 2b höger) eftersom den elektrostatiska kraften av högre ordning är mycket känslig för orienteringen av vattenmolekyler.
Det var också möjligt att ytterligare bestämma OH-riktningen för horisontellt och vertikalt vatten genom interaktionen mellan högre ordningens elektrostatiska krafter och Pauli repulsiva krafter, som visas av de röda linjerna i 2a и 2b (Centrum).
Bild #3
I bilderna 3a и 3b (Steg 1) visar förstorade AFM-bilder av sicksack- respektive fåtöljfenor. Man fann att sicksackkanten växer med bibehållen ursprungliga struktur och med tillväxten av den stolformade kanten återställs kanten i den periodiska strukturen av 5756 ringar, d.v.s. när strukturen av revbenen periodiskt upprepar sekvensen femhörning - heptagon - femhörning - hexagon.
Densitetsfunktionsteoretiska beräkningar visar att den orekonstruerade sicksackfenan och 5756 stolfenan är de mest stabila. 5756-kanten bildas som ett resultat av kombinerade effekter som minimerar antalet omättade vätebindningar och minskar töjningsenergin.
Forskare minns att de basala planen av hexagonal is vanligtvis slutar i sicksackrevben, och stolformade revben saknas på grund av den högre tätheten av omättade vätebindningar. Men i små system eller där utrymmet är begränsat kan stolfenor minska sin energi genom korrekt omdesign.
Som nämnts tidigare, när istillväxten vid 120 K stoppades, kyldes provet omedelbart till 5 K för att försöka frysa metastabila eller övergångskantstrukturer och säkerställa en relativt lång provlivslängd för detaljerad studie med STM och AFM. Det var också möjligt att rekonstruera tillväxtprocessen för tvådimensionell is (bild nr 3) tack vare den CO-funktionaliserade mikroskopspetsen, som gjorde det möjligt att detektera metastabila strukturer och övergångsstrukturer.
När det gäller sicksack-revben, hittades ibland enskilda femhörningar fästa vid de raka revbenen. De kunde radas upp i en rad och bilda en array med en periodicitet på 2 x aice (aice är gitterkonstanten för tvådimensionell is). Denna observation kan indikera att tillväxten av sicksackkanter initieras av bildandet av en periodisk uppsättning femhörningar (3a, steg 1-3), vilket innebär att man lägger till två vattenpar för femhörningen (röda pilar).
Därefter ansluts arrayen av femhörningar för att bilda en struktur som 56665 (3a, steg 4), och återställer sedan det ursprungliga sicksackutseendet genom att tillsätta mer vattenånga.
Med stolformade kanter är situationen den motsatta - det finns inga uppsättningar av femhörningar, utan istället observeras ganska ofta korta luckor som 5656 på kanten. Längden på 5656-fenan är betydligt kortare än 5756:ans. Detta beror möjligen på att 5656-fenan är mycket stressad och mindre stabil än 5756:an. Från och med 5756-stolfenan omvandlas 575 ringar lokalt till 656 ringar genom att lägga till två vattenånga (3b, steg 2). Därefter växer 656-ringarna i tvärriktningen och bildar en kant av typen 5656 (3b, steg 3), men med en begränsad längd på grund av ackumuleringen av deformationsenergi.
Om ett vattenpar läggs till sexkanten på en 5656 fena, kan deformationen delvis försvagas, och detta kommer återigen att leda till bildandet av en 5756 fena (3b, steg 4).
Ovanstående resultat är mycket vägledande, men det beslutades att stödja dem med ytterligare data som erhållits från molekylära dynamikberäkningar av vattenånga på Au(111)-ytan.
Det visade sig att XNUMXD dubbelskiktiga isöar bildades framgångsrikt och obehindrat på ytan, vilket överensstämmer med våra experimentella observationer.
Bild #4
På bilden 4a Mekanismen för kollektiv bildning av broar på sicksackrevben visas steg för steg.
Nedan finns mediamaterial om denna studie med en beskrivning.
Mediematerial nr 1
Det är värt att notera att en enda pentagon fäst vid en sicksackkant inte kan fungera som ett lokalt kärnbildningscentrum för att främja tillväxt.
Mediematerial nr 2
Istället bildas ett periodiskt men icke sammankopplat nätverk av femhörningar initialt på sicksackkanten, och efterföljande inkommande vattenmolekyler försöker kollektivt koppla samman dessa femhörningar, vilket resulterar i bildandet av en kedjestruktur av typen 565. Tyvärr har en sådan struktur inte observerats under praktiska observationer, vilket förklarar dess extremt korta livslängd.
Mediematerial nr 3 och nr 4
Tillägget av ett vattenpar förbinder 565-typstrukturen och den intilliggande femhörningen, vilket resulterar i bildandet av 5666-typstrukturen.
5666-typstrukturen växer i sidled för att bilda 56665-typstrukturen och utvecklas så småningom till ett helt sammankopplat hexagonalt gitter.
Mediematerial nr 5 och nr 6
På bilden 4b tillväxt visas i fallet med en fåtöljsribb. Omvandlingen från typ 575-ringar till typ 656-ringar startar från bottenskiktet och bildar en sammansatt 575/656-struktur som inte kan särskiljas från en typ 5756-fena i experimenten, eftersom endast det översta lagret av tvåskiktsisen kan avbildas under experimenten.
Mediematerial nr 7
Den resulterande bron 656 blir kärnbildningscentrum för tillväxten av 5656-ribban.
Mediematerial nr 8
Att lägga till en vattenmolekyl till en 5656-kant resulterar i en mycket rörlig oparad molekylstruktur.
Mediematerial nr 9
Två av dessa oparade vattenmolekyler kan sedan kombineras till en mer stabil sjukantig struktur, vilket fullbordar omvandlingen från 5656 till 5756.
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på .
Epilog
Huvudslutsatsen av denna studie är att det observerade beteendet hos strukturer under tillväxt kan vara gemensamt för alla typer av tvådimensionell is. Tvåskikts hexagonal is bildas på olika hydrofoba ytor och under hydrofoba inneslutningsförhållanden och kan därför betraktas som en separat 2D-kristall (2D-is I), vars bildning är okänslig för substratets underliggande struktur.
Forskare säger ärligt att deras avbildningsteknik ännu inte är lämplig för att arbeta med tredimensionell is, men resultaten av att studera tvådimensionell is kan tjäna som grund för att förklara bildningsprocessen för dess volymetriska släkting. Att förstå hur tvådimensionella strukturer bildas är med andra ord en viktig grund för att studera tredimensionella. Det är för detta ändamål som forskarna planerar att förbättra sin metodik i framtiden.
Tack för att du läser, håll dig nyfiken och ha en bra vecka grabbar. 🙂
Några annonser 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, , en unik analog av ingångsservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare i Equinix Tier IV datacenter i Amsterdam? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com