Kila mtu anajua kwamba maji hutokea katika majimbo matatu ya mkusanyiko. Tunaweka kettle, na maji huanza kuchemsha na kuyeyuka, na kugeuka kutoka kioevu hadi gesi. Tunaiweka kwenye jokofu, na huanza kugeuka kuwa barafu, na hivyo kusonga kutoka kioevu hadi hali ngumu. Hata hivyo, chini ya hali fulani, mvuke wa maji uliopo angani unaweza kupita mara moja kwenye awamu imara, ukipita awamu ya kioevu. Tunajua mchakato huu kwa matokeo yake - mifumo nzuri kwenye madirisha kwenye siku ya baridi ya baridi. Wapenzi wa gari, wakati wa kufuta safu ya barafu kutoka kwa kioo, mara nyingi huonyesha mchakato huu kwa kutumia sio kisayansi sana, lakini epithets ya kihisia sana na ya wazi. Kwa njia moja au nyingine, maelezo ya malezi ya barafu yenye sura mbili yalifunikwa kwa usiri kwa miaka mingi. Na hivi karibuni, kwa mara ya kwanza, timu ya kimataifa ya wanasayansi iliweza kuibua muundo wa atomiki wa barafu mbili-dimensional wakati wa malezi yake. Ni siri gani zimefichwa katika mchakato huu wa kimwili unaoonekana kuwa rahisi, wanasayansi waliwezaje kuzifichua, na matokeo yao yana manufaa gani? Ripoti ya kikundi cha utafiti itatuambia kuhusu hili. Nenda.
Msingi wa utafiti
Ikiwa tunatia chumvi, basi karibu vitu vyote vinavyotuzunguka vina pande tatu. Walakini, ikiwa tutazingatia baadhi yao kwa uangalifu zaidi, tunaweza pia kupata zenye pande mbili. Ukoko wa barafu ambao huunda juu ya uso wa kitu ni mfano mkuu wa hii. Kuwepo kwa miundo kama hiyo sio siri kwa jamii ya kisayansi, kwa sababu imechambuliwa mara nyingi. Lakini shida ni kwamba ni ngumu sana kuibua miundo ya metastable au ya kati inayohusika katika uundaji wa barafu ya 2D. Hii ni kutokana na matatizo ya banal - udhaifu na udhaifu wa miundo inayojifunza.
Kwa bahati nzuri, mbinu za kisasa za skanning huruhusu sampuli kuchambuliwa na athari ndogo, ambayo inaruhusu data ya juu kupatikana kwa muda mfupi, kutokana na sababu zilizo hapo juu. Katika utafiti huu, wanasayansi walitumia hadubini ya nguvu ya atomiki isiyoweza kugusana, na ncha ya sindano ya hadubini iliyofunikwa na monoksidi kaboni (CO). Mchanganyiko wa zana hizi za skanning huwezesha kupata picha za muda halisi za miundo ya makali ya barafu yenye pande mbili ya bilaye yenye pembe sita iliyokuzwa kwenye uso wa dhahabu (Au).
Microscopy imeonyesha kuwa wakati wa malezi ya barafu yenye pande mbili, aina mbili za kingo (sehemu zinazounganisha wima mbili za poligoni) wakati huo huo ziko katika muundo wake: zigzag (zigzag) na umbo la kiti (armchair).
Kingo za kiti (kushoto) na zigzag (kulia) kwa kutumia graphene kama mfano.
Katika hatua hii, sampuli ziligandishwa haraka, na kuruhusu muundo wa atomiki kuchunguzwa kwa undani. Modeling pia ulifanyika, matokeo ambayo kwa kiasi kikubwa sanjari na matokeo ya uchunguzi.
Ilibainika kuwa katika kesi ya malezi ya mbavu za zigzag, molekuli ya ziada ya maji huongezwa kwa makali yaliyopo, na mchakato mzima umewekwa na utaratibu wa kuziba. Lakini katika kesi ya uundaji wa mbavu za kiti cha armchair, hakuna molekuli za ziada ziligunduliwa, ambazo zinapingana sana na mawazo ya jadi kuhusu ukuaji wa barafu ya safu mbili ya hexagonal na dutu mbili-dimensional hexagonal kwa ujumla.
Kwa nini wanasayansi walichagua darubini ya nguvu ya atomiki isiyoweza kuguswa kwa uchunguzi wao badala ya hadubini ya kuchanganua (STM) au darubini ya elektroni (TEM)? Kama tunavyojua tayari, chaguo linahusiana na ugumu wa kusoma muundo wa muda mfupi na dhaifu wa barafu yenye sura mbili. Hapo awali STM imetumika kuchunguza barafu za 2D zilizopandwa kwenye nyuso mbalimbali, lakini aina hii ya darubini si nyeti kwa nafasi ya nuclei, na ncha yake inaweza kusababisha makosa ya kupiga picha. TEM, kinyume chake, inaonyesha kikamilifu muundo wa atomiki wa mbavu. Hata hivyo, kupata picha za ubora wa juu kunahitaji elektroni za nishati ya juu, ambazo zinaweza kubadilisha kwa urahisi au hata kuharibu muundo wa ukingo wa nyenzo za XNUMXD zilizounganishwa kwa ushirikiano, bila kutaja kingo zilizounganishwa kwa urahisi zaidi katika barafu ya XNUMXD.
Darubini ya nguvu ya atomiki haina hasara kama hizo, na ncha iliyofunikwa na CO inaruhusu kusoma maji ya uso na ushawishi mdogo kwenye molekuli za maji.
Matokeo ya utafiti
Picha #1
Barafu ya pande mbili ilikuzwa kwenye uso wa Au(111) kwa joto la takriban 120 K, na unene wake ulikuwa 2.5 Γ (1).
Picha za STM za barafu (1c) na picha inayolingana ya kubadilisha Fourier ya haraka (iliyowekwa ndani 1) onyesha muundo wa hexagonal uliopangwa vizuri na upimaji wa Au(111)-β3 x β3-30Β°. Ingawa mtandao wa seli uliounganishwa na H wa barafu ya 2D unaonekana katika picha ya STM, topolojia ya kina ya miundo ya kingo ni vigumu kubainisha. Wakati huo huo, AFM yenye mabadiliko ya mzunguko (Ξf) ya eneo sawa la sampuli ilitoa picha bora zaidi (1d), ambayo ilifanya iwezekanavyo kuibua sehemu za umbo la mwenyekiti na zigzag za muundo. Urefu wa jumla wa lahaja zote mbili unalinganishwa, lakini urefu wa wastani wa ubavu uliotangulia ni mrefu kidogo (1b) Mbavu za Zigzag zinaweza kukua hadi 60 kwa urefu, lakini zile zenye umbo la kiti hufunikwa na kasoro wakati wa malezi, ambayo hupunguza urefu wao wa juu hadi 10-30 Γ .
Ifuatayo, taswira ya kimfumo ya AFM ilifanywa kwa urefu tofauti wa sindano (2).
Picha #2
Katika urefu wa juu zaidi wa ncha, wakati mawimbi ya AFM inatawaliwa na nguvu ya hali ya juu ya kielektroniki, seti mbili za sehemu ndogo β3 x β3 katika barafu yenye pande mbili za bilaya zilitambuliwa, moja ikionyeshwa katika 2 (kushoto).
Katika urefu wa chini wa sindano, vitu vyenye mkali vya safu hii ndogo huanza kuonyesha mwelekeo, na safu nyingine hubadilika kuwa kitu chenye umbo la V (2a, katikati).
Kwa urefu wa chini wa sindano, AFM inaonyesha muundo wa sega la asali na mistari wazi inayounganisha sublattis mbili, kukumbusha vifungo vya H (2a, kulia).
Mahesabu ya nadharia ya utendakazi wa msongamano yanaonyesha kuwa barafu yenye mwelekeo-mbili inayokuzwa kwenye uso wa Au(111) inalingana na muundo wa barafu wa tabaka mbili (2c), inayojumuisha tabaka mbili za gorofa za hexagonal za maji. Hexagons za karatasi mbili zimeunganishwa, na pembe kati ya molekuli za maji katika ndege ni 120 Β°.
Katika kila safu ya maji, nusu ya molekuli za maji hulala kwa usawa (sambamba na substrate) na nusu nyingine iko kwa wima (perpendicular kwa substrate), na O-H moja inaelekea juu au chini. Maji yaliyolazwa kiwima katika safu moja hutoa dhamana ya H kwa maji ya mlalo katika safu nyingine, na kusababisha muundo uliojaa kabisa wa umbo la H.
Uigaji wa AFM kwa kutumia kidokezo cha quadrupole (dz 2) (2b) kulingana na mfano hapo juu inakubaliana vizuri na matokeo ya majaribio (2a) Kwa bahati mbaya, urefu sawa wa maji ya usawa na wima hufanya utambuzi wao kuwa mgumu wakati wa kupiga picha za STM. Walakini, wakati wa kutumia hadubini ya nguvu ya atomiki, molekuli za aina zote mbili za maji zinaweza kutofautishwa wazi.2a ΠΈ 2b kulia) kwa sababu nguvu ya juu zaidi ya kielektroniki ni nyeti sana kwa uelekeo wa molekuli za maji.
Pia iliwezekana kubainisha zaidi mwelekeo wa O-H wa maji ya mlalo na wima kupitia mwingiliano kati ya nguvu za hali ya juu za kielektroniki na nguvu za kurudisha nyuma za Pauli, kama inavyoonyeshwa na mistari nyekundu katika 2 ΠΈ 2b (katikati).
Picha #3
Katika picha 3 ΠΈ 3b (Hatua ya 1) inaonyesha picha zilizopanuliwa za AFM za zigzag na mapezi ya viti vya mkono, mtawalia. Ilibainika kuwa makali ya zigzag inakua wakati wa kudumisha muundo wake wa awali, na kwa ukuaji wa makali ya umbo la mwenyekiti, makali yanarejeshwa katika muundo wa mara kwa mara wa pete 5756, i.e. wakati muundo wa mbavu unarudia mara kwa mara pentagon ya mlolongo - heptagon - pentagon - hexagon.
Hesabu za nadharia ya utendakazi wa msongamano zinaonyesha kuwa zigzag fin ambazo hazijajengwa upya na 5756 mwenyekiti ndizo dhabiti zaidi. Makali ya 5756 huundwa kama matokeo ya athari za pamoja ambazo hupunguza idadi ya vifungo vya hidrojeni isiyojaa na kupunguza nishati ya shida.
Wanasayansi wanakumbuka kwamba ndege za basal za barafu ya hexagonal kawaida huishia kwenye mbavu za zigzag, na mbavu zenye umbo la kiti hazipo kwa sababu ya msongamano mkubwa wa vifungo vya hidrojeni isiyojaa. Hata hivyo, katika mifumo midogo au mahali ambapo nafasi ni ndogo, mapezi ya kiti yanaweza kupunguza nguvu zao kupitia upya ufaao.
Kama ilivyoelezwa hapo awali, wakati ukuaji wa barafu katika 120 K ulisimamishwa, sampuli ilipozwa mara moja hadi 5 K ili kujaribu kufungia miundo ya makali ya metastable au ya mpito na kuhakikisha maisha ya sampuli ya muda mrefu kwa ajili ya utafiti wa kina kwa kutumia STM na AFM. Iliwezekana pia kuunda upya mchakato wa ukuaji wa barafu ya pande mbili (picha Na. 3) kwa shukrani kwa ncha ya darubini iliyofanya kazi ya CO, ambayo ilifanya iwezekane kugundua miundo ya kubadilika na kubadilika.
Katika kesi ya mbavu za zigzag, pentagoni za mtu binafsi wakati mwingine zilipatikana zimefungwa kwenye mbavu za moja kwa moja. Wanaweza kujipanga kwa safu, na kutengeneza safu na upimaji wa 2 x aice (aice ni kimiani kisichobadilika cha barafu yenye pande mbili). Uchunguzi huu unaweza kuonyesha kwamba ukuaji wa kingo za zigzag huanzishwa na kuundwa kwa safu ya mara kwa mara ya pentagoni (3, hatua ya 1-3), ambayo inahusisha kuongeza jozi mbili za maji kwa pentagon (mishale nyekundu).
Ifuatayo, safu ya pentagoni imeunganishwa kuunda muundo kama 56665 (3, hatua ya 4), na kisha kurejesha mwonekano wa awali wa zigzag kwa kuongeza mvuke zaidi wa maji.
Na kingo zenye umbo la mwenyekiti hali ni kinyume - hakuna safu za pentagoni, lakini badala yake mapengo mafupi kama 5656 kwenye ukingo huzingatiwa mara nyingi. Urefu wa pezi 5656 ni mfupi sana kuliko ule wa 5756. Hii inawezekana ni kwa sababu ya 5656 ina mkazo sana na ni thabiti kuliko ile ya 5756. Kuanzia na pezi 5756, pete 575 hubadilishwa ndani kuwa pete 656 kwa kuongeza mbili. mvuke wa maji (3b, hatua ya 2). Ifuatayo, pete 656 hukua katika mwelekeo wa kupita, na kutengeneza makali ya aina ya 5656 (3b, hatua ya 3), lakini kwa urefu mdogo kutokana na mkusanyiko wa nishati ya deformation.
Ikiwa jozi moja ya maji imeongezwa kwenye hexagon ya 5656 fin, deformation inaweza kudhoofika kwa sehemu, na hii itasababisha tena kuundwa kwa 5756 fin (3b, hatua ya 4).
Matokeo hapo juu ni dalili sana, lakini iliamuliwa kuyaunga mkono na data ya ziada iliyopatikana kutoka kwa hesabu za mienendo ya molekuli ya mvuke wa maji kwenye uso wa Au (111).
Ilibainika kuwa visiwa vya barafu vya safu mbili vya 2D viliundwa kwa mafanikio na bila kuzuiliwa juu ya uso, ambayo ni sawa na uchunguzi wetu wa majaribio.
Picha #4
Kwenye picha 4 Utaratibu wa malezi ya pamoja ya madaraja kwenye mbavu za zigzag huonyeshwa hatua kwa hatua.
Ifuatayo ni nyenzo za media kwenye utafiti huu zenye maelezo.
Nyenzo za media nambari 1
Ni vyema kutambua kwamba pentagoni moja iliyounganishwa kwenye makali ya zigzag haiwezi kufanya kama kituo cha nucleation cha ndani ili kukuza ukuaji.
Nyenzo za media nambari 2
Badala yake, mtandao wa mara kwa mara lakini ambao haujaunganishwa wa pentagoni hapo awali huunda kwenye makali ya zigzag, na molekuli za maji zinazoingia kwa pamoja hujaribu kuunganisha pentagoni hizi, na kusababisha kuundwa kwa muundo wa aina ya 565. Kwa bahati mbaya, muundo huo haujazingatiwa wakati wa uchunguzi wa vitendo, ambao unaelezea maisha yake mafupi sana.
Nyenzo za media nambari 3 na nambari 4
Kuongezewa kwa jozi moja ya maji huunganisha muundo wa aina 565 na pentagon iliyo karibu, na kusababisha kuundwa kwa muundo wa aina 5666.
Muundo wa aina ya 5666 hukua kando ili kuunda muundo wa aina ya 56665 na hatimaye huendelea kuwa kimiani cha hexagonal kilichounganishwa kikamilifu.
Nyenzo za media nambari 5 na nambari 6
Kwenye picha 4b ukuaji unaonyeshwa katika kesi ya ubavu wa kiti cha armchair. Uongofu kutoka kwa pete za aina 575 hadi aina ya 656 huanza kutoka safu ya chini, na kutengeneza muundo wa 575/656 ambao hauwezi kutofautishwa na aina ya 5756 fin katika majaribio, kwani safu ya juu tu ya barafu ya safu mbili inaweza kuonyeshwa. wakati wa majaribio.
Nyenzo za media nambari 7
Daraja linalotokana na 656 linakuwa kituo cha nucleation kwa ukuaji wa mbavu 5656.
Nyenzo za media nambari 8
Kuongeza molekuli moja ya maji kwenye ukingo wa 5656 husababisha muundo wa molekuli usio na uoanishaji unaotembea sana.
Nyenzo za media nambari 9
Mbili kati ya molekuli hizi za maji ambazo hazijaoanishwa zinaweza baadaye kuunganishwa kuwa muundo thabiti zaidi wa heptagonal, na kukamilisha ubadilishaji kutoka 5656 hadi 5756.
Kwa ufahamu wa kina zaidi na nuances ya utafiti, napendekeza kutazama .
Epilogue
Hitimisho kuu la utafiti huu ni kwamba tabia iliyozingatiwa ya miundo wakati wa ukuaji inaweza kuwa ya kawaida kwa aina zote za barafu mbili-dimensional. Barafu yenye umbo la pembe tatu huunda kwenye nyuso mbalimbali za haidrofobu na chini ya hali ya kifungo cha haidrofobu, na kwa hivyo inaweza kuzingatiwa kama fuwele tofauti ya 2D (barafu la 2D I), uundaji wake ambao haujali muundo wa msingi wa substrate.
Wanasayansi wanasema kwa uaminifu kwamba mbinu yao ya kupiga picha bado haifai kwa kufanya kazi na barafu yenye sura tatu, lakini matokeo ya kusoma barafu yenye pande mbili inaweza kutumika kama msingi wa kuelezea mchakato wa malezi ya jamaa yake ya volumetric. Kwa maneno mengine, kuelewa jinsi miundo ya pande mbili inaunda ni msingi muhimu wa kusoma sura tatu. Ni kwa kusudi hili kwamba watafiti wanapanga kuboresha njia yao katika siku zijazo.
Asante kwa kusoma, kuwa na hamu na kuwa na wiki njema guys. π
Baadhi ya matangazo π
Asante kwa kukaa nasi. Je, unapenda makala zetu? Je, ungependa kuona maudhui ya kuvutia zaidi? Tuunge mkono kwa kuweka agizo au kupendekeza kwa marafiki, , analogi ya kipekee ya seva za kiwango cha kuingia, ambayo ilivumbuliwa na sisi kwa ajili yako: (inapatikana kwa RAID1 na RAID10, hadi cores 24 na hadi 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x nafuu katika kituo cha data cha Equinix Tier IV huko Amsterdam? Hapa tu nchini Uholanzi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - kutoka $99! Soma kuhusu
Chanzo: mapenzi.com