Alam ng lahat na ang tubig ay nangyayari sa tatlong estado ng pagsasama-sama. Inilalagay namin ang takure, at ang tubig ay nagsisimulang kumulo at sumingaw, lumiliko mula sa likido hanggang sa gas. Inilalagay namin ito sa freezer, at nagsisimula itong maging yelo, sa gayon ay lumipat mula sa isang likido hanggang sa isang solidong estado. Gayunpaman, sa ilalim ng ilang mga pangyayari, ang singaw ng tubig na nasa hangin ay maaaring agad na dumaan sa solidong bahagi, na lumalampas sa likidong bahagi. Alam namin ang prosesong ito sa resulta nito - magagandang pattern sa mga bintana sa isang mayelo na araw ng taglamig. Ang mga mahilig sa kotse, kapag nag-scrap ng isang layer ng yelo mula sa windshield, ay madalas na nagpapakilala sa prosesong ito gamit ang hindi masyadong siyentipiko, ngunit napaka-emosyonal at matingkad na epithets. Sa isang paraan o iba pa, ang mga detalye ng pagbuo ng dalawang-dimensional na yelo ay natatakpan ng lihim sa loob ng maraming taon. At kamakailan lamang, sa unang pagkakataon, ang isang internasyonal na pangkat ng mga siyentipiko ay nagawang makita ang atomic na istraktura ng dalawang-dimensional na yelo sa panahon ng pagbuo nito. Anong mga lihim ang nakatago sa tila simpleng pisikal na prosesong ito, paano nagawang matuklasan ng mga siyentipiko ang mga ito, at paano kapaki-pakinabang ang kanilang mga natuklasan? Ang ulat ng pangkat ng pananaliksik ay magsasabi sa atin tungkol dito. Pumunta ka.
Batayan sa pananaliksik
Kung magpapalaki tayo, halos lahat ng bagay sa paligid natin ay three-dimensional. Gayunpaman, kung isasaalang-alang natin ang ilan sa mga ito nang mas maingat, makakahanap din tayo ng mga two-dimensional. Ang isang crust ng yelo na nabubuo sa ibabaw ng isang bagay ay isang pangunahing halimbawa nito. Ang pagkakaroon ng gayong mga istruktura ay hindi lihim sa komunidad ng siyensya, dahil maraming beses na itong nasuri. Ngunit ang problema ay medyo mahirap na maisalarawan ang mga metastable o intermediate na istruktura na kasangkot sa pagbuo ng 2D na yelo. Ito ay dahil sa mga karaniwang problema - ang hina at hina ng mga istrukturang pinag-aaralan.
Sa kabutihang palad, pinapayagan ng mga modernong paraan ng pag-scan ang mga sample na masuri nang may kaunting epekto, na nagbibigay-daan para sa maximum na data na makuha sa maikling panahon, dahil sa mga dahilan sa itaas. Sa pag-aaral na ito, ginamit ng mga siyentipiko ang non-contact atomic force microscopy, na may dulo ng microscope needle na pinahiran ng carbon monoxide (CO). Ginagawang posible ng kumbinasyon ng mga tool sa pag-scan na ito na makakuha ng mga real-time na larawan ng mga istruktura sa gilid ng dalawang-dimensional na bilayer na hexagonal na yelo na lumago sa isang gintong (Au) na ibabaw.
Ipinakita ng mikroskopya na sa panahon ng pagbuo ng dalawang-dimensional na yelo, dalawang uri ng mga gilid (mga segment na nagkokonekta sa dalawang vertices ng isang polygon) ay sabay-sabay na nabubuhay sa istraktura nito: zigzag (paliku-liko) at hugis upuan (walang kibo).
Armchair (kaliwa) at zigzag (kanan) na mga gilid gamit ang graphene bilang isang halimbawa.
Sa yugtong ito, ang mga sample ay mabilis na nagyelo, na nagpapahintulot sa atomic na istraktura na masuri nang detalyado. Ang pagmomodelo ay isinagawa din, ang mga resulta na higit sa lahat ay kasabay ng mga resulta ng pagmamasid.
Napag-alaman na sa kaso ng pagbuo ng mga zigzag ribs, ang isang karagdagang molekula ng tubig ay idinagdag sa umiiral na gilid, at ang buong proseso ay kinokontrol ng mekanismo ng bridging. Ngunit sa kaso ng pagbuo ng mga tadyang ng armchair, walang karagdagang mga molekula ang nakita, na malakas na kaibahan sa mga tradisyonal na ideya tungkol sa paglaki ng dalawang-layer na hexagonal na yelo at dalawang-dimensional na hexagonal na sangkap sa pangkalahatan.
Bakit pinili ng mga siyentipiko ang isang non-contact atomic force microscope para sa kanilang mga obserbasyon sa halip na isang scanning tunneling microscope (STM) o transmission electron microscope (TEM)? Tulad ng alam na natin, ang pagpili ay nauugnay sa kahirapan ng pag-aaral ng panandalian at marupok na istruktura ng dalawang-dimensional na yelo. Dati nang ginamit ang STM upang pag-aralan ang mga 2D na yelo na lumago sa iba't ibang mga ibabaw, ngunit ang ganitong uri ng mikroskopyo ay hindi sensitibo sa posisyon ng nuclei, at ang dulo nito ay maaaring magdulot ng mga error sa imaging. Ang TEM, sa kabaligtaran, ay perpektong nagpapakita ng atomic na istraktura ng mga tadyang. Gayunpaman, ang pagkuha ng mga de-kalidad na larawan ay nangangailangan ng mga electron na may mataas na enerhiya, na maaaring madaling baguhin o kahit na sirain ang gilid na istraktura ng mga covalently bonded na XNUMXD na materyales, hindi pa banggitin ang mas maluwag na nakagapos na mga gilid sa XNUMXD na yelo.
Ang isang atomic force microscope ay walang ganoong mga disadvantages, at ang isang CO-coated na tip ay nagpapahintulot sa pag-aaral ng interfacial na tubig na may kaunting impluwensya sa mga molekula ng tubig.
Mga resulta ng pananaliksik
Larawan #1
Ang dalawang-dimensional na yelo ay pinatubo sa ibabaw ng Au(111) sa temperaturang humigit-kumulang 120 K, at ang kapal nito ay 2.5 Γ (1).
STM na mga larawan ng yelo (1c) at ang kaukulang mabilis na Fourier transform na imahe (inset in 1) ay nagpapakita ng maayos na istrukturang heksagonal na may periodicity na Au(111)-β3 x β3-30Β°. Kahit na ang cellular H-connected network ng 2D ice ay nakikita sa STM na imahe, ang detalyadong topology ng mga istruktura ng gilid ay mahirap matukoy. Kasabay nito, ang AFM na may frequency shift (Ξf) ng parehong sample area ay nagbigay ng mas magagandang larawan (1d), na naging posible upang mailarawan ang hugis ng upuan at zigzag na mga seksyon ng istraktura. Ang kabuuang haba ng parehong mga variant ay maihahambing, ngunit ang average na haba ng naunang tadyang ay bahagyang mas mahaba (1b). Ang mga zigzag ribs ay maaaring lumaki ng hanggang 60 Γ ang haba, ngunit ang mga hugis ng upuan ay natatakpan ng mga depekto sa panahon ng pagbuo, na binabawasan ang kanilang maximum na haba sa 10-30 Γ .
Susunod, ang sistematikong AFM imaging ay isinagawa sa iba't ibang taas ng karayom ββ(2).
Larawan #2
Sa pinakamataas na taas ng tip, kapag ang signal ng AFM ay pinangungunahan ng mas mataas na pagkakasunud-sunod na puwersa ng electrostatic, dalawang set ng β3 x β3 sublattice sa dalawang-dimensional na bilayer na yelo ang natukoy, ang isa ay ipinapakita sa 2 (kaliwa).
Sa mas mababang taas ng karayom, ang mga maliliwanag na elemento ng subarray na ito ay nagsisimulang magpakita ng direksyon, at ang isa pang subarray ay nagiging isang V-shaped na elemento (2a, nakasentro).
Sa pinakamababang taas ng karayom, ang AFM ay nagpapakita ng istraktura ng pulot-pukyutan na may malinaw na mga linya na nagkokonekta sa dalawang sublattice, na nakapagpapaalaala sa mga H-bond (2a, sa kanan).
Ipinapakita ng mga kalkulasyon ng density functional theory na ang dalawang-dimensional na yelo na lumaki sa ibabaw ng Au(111) ay tumutugma sa isang magkakaugnay na dalawang-layer na istraktura ng yelo (2s), na binubuo ng dalawang flat hexagonal layer ng tubig. Ang hexagons ng dalawang sheet ay conjugated, at ang anggulo sa pagitan ng mga molekula ng tubig sa eroplano ay 120Β°.
Sa bawat layer ng tubig, kalahati ng mga molekula ng tubig ay nakahiga nang pahalang (parallel sa substrate) at ang isa pang kalahati ay patayo (patayo sa substrate), na may isang OβH na nakaturo pataas o pababa. Ang patayong nakahiga na tubig sa isang layer ay nag-donate ng isang H-bond sa pahalang na tubig sa isa pang layer, na nagreresulta sa isang ganap na puspos na H-shaped na istraktura.
AFM simulation gamit ang isang quadrupole (dz 2) tip (2b) batay sa modelo sa itaas ay nasa mabuting pagsang-ayon sa mga resultang pang-eksperimento (2a). Sa kasamaang palad, ang magkatulad na taas ng pahalang at patayong tubig ay nagpapahirap sa kanilang pagkakakilanlan sa panahon ng STM imaging. Gayunpaman, kapag gumagamit ng atomic force microscopy, ang mga molekula ng parehong uri ng tubig ay malinaw na nakikilala (2a ΠΈ 2b kanan) dahil ang mas mataas na pagkakasunud-sunod na puwersa ng electrostatic ay napaka-sensitibo sa oryentasyon ng mga molekula ng tubig.
Posible rin na higit pang matukoy ang direksyon ng OH ng pahalang at patayong tubig sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mas mataas na pagkakasunud-sunod na mga puwersang electrostatic at Pauli repulsive forces, tulad ng ipinapakita ng mga pulang linya sa 2 ΠΈ 2b (gitna).
Larawan #3
Sa mga larawan 3 ΠΈ 3b (Stage 1) ay nagpapakita ng pinalaki na mga larawan ng AFM ng zigzag at armchair fins, ayon sa pagkakabanggit. Napag-alaman na ang gilid ng zigzag ay lumalaki habang pinapanatili ang orihinal na istraktura nito, at sa paglaki ng gilid ng hugis ng upuan, ang gilid ay naibalik sa pana-panahong istraktura ng 5756 na singsing, i.e. kapag ang istraktura ng mga tadyang ay pana-panahong inuulit ang pagkakasunud-sunod na pentagon - heptagon - pentagon - hexagon.
Ipinapakita ng mga kalkulasyon ng density functional theory na ang unreconstructed zigzag fin at ang 5756 chair fin ay ang pinaka-stable. Ang 5756 edge ay nabuo bilang resulta ng pinagsamang epekto na nagpapaliit sa bilang ng mga unsaturated hydrogen bond at nagpapababa ng strain energy.
Naaalala ng mga siyentipiko na ang mga basal na eroplano ng hexagonal na yelo ay kadalasang nagtatapos sa zigzag ribs, at ang hugis ng upuan ay wala dahil sa mas mataas na density ng unsaturated hydrogen bond. Gayunpaman, sa maliliit na sistema o kung saan limitado ang espasyo, maaaring mabawasan ng mga palikpik ng upuan ang kanilang enerhiya sa pamamagitan ng wastong muling pagdidisenyo.
Tulad ng nabanggit kanina, kapag ang paglaki ng yelo sa 120 K ay tumigil, ang sample ay agad na pinalamig sa 5 K upang subukang i-freeze ang metastable o paglipat ng mga istruktura ng gilid at matiyak ang isang medyo mahabang buhay ng sample para sa detalyadong pag-aaral gamit ang STM at AFM. Posible rin na muling buuin ang proseso ng paglago ng dalawang-dimensional na yelo (larawan No. 3) salamat sa tip ng mikroskopyo ng CO-functionalized, na naging posible upang makita ang mga metastable at mga istruktura ng paglipat.
Sa kaso ng mga zigzag ribs, ang mga indibidwal na pentagon ay minsan natagpuang nakakabit sa mga straight ribs. Maaari silang pumila sa isang hilera, na bumubuo ng isang array na may periodicity na 2 x aice (aice ay ang lattice constant ng two-dimensional na yelo). Ang pagmamasid na ito ay maaaring magpahiwatig na ang paglaki ng mga zigzag na gilid ay pinasimulan ng pagbuo ng isang pana-panahong hanay ng mga pentagons (3, hakbang 1-3), na kinabibilangan ng pagdaragdag ng dalawang pares ng tubig para sa pentagon (mga pulang arrow).
Susunod, ang hanay ng mga pentagon ay konektado upang bumuo ng isang istraktura tulad ng 56665 (3, yugto 4), at pagkatapos ay ibinabalik ang orihinal na zigzag na hitsura sa pamamagitan ng pagdaragdag ng higit pang singaw ng tubig.
Sa hugis ng upuan na mga gilid ang sitwasyon ay kabaligtaran - walang mga arrays ng mga pentagons, ngunit sa halip ay ang mga maikling puwang tulad ng 5656 sa gilid ay madalas na sinusunod. Ang haba ng 5656 fin ay makabuluhang mas maikli kaysa sa 5756. Ito ay posibleng dahil ang 5656 fin ay mataas ang stress at hindi gaanong stable kaysa sa 5756. Simula sa 5756 chair fin, 575 rings ang lokal na kino-convert sa 656 rings sa pamamagitan ng pagdaragdag ng dalawa singaw ng tubig (3b, yugto 2). Susunod, ang 656 na singsing ay lumalaki sa nakahalang direksyon, na bumubuo ng isang gilid ng 5656 na uri (3b, yugto 3), ngunit may limitadong haba dahil sa akumulasyon ng enerhiya ng pagpapapangit.
Kung ang isang pares ng tubig ay idinagdag sa hexagon ng isang 5656 fin, ang deformation ay maaaring bahagyang humina, at ito ay muling hahantong sa pagbuo ng isang 5756 fin (3b, yugto 4).
Ang mga resulta sa itaas ay napaka-indicative, ngunit napagpasyahan na suportahan ang mga ito ng karagdagang data na nakuha mula sa mga kalkulasyon ng molecular dynamics ng singaw ng tubig sa ibabaw ng Au (111).
Napag-alaman na ang XNUMXD double-layer na mga isla ng yelo ay matagumpay na nabuo at walang hadlang sa ibabaw, na naaayon sa aming mga eksperimentong obserbasyon.
Larawan #4
Sa larawan 4 Ang mekanismo ng kolektibong pagbuo ng mga tulay sa zigzag ribs ay ipinapakita nang sunud-sunod.
Nasa ibaba ang mga materyal ng media sa pag-aaral na ito na may paglalarawan.
Media material No. 1
Ito ay nagkakahalaga ng pagpuna na ang isang solong pentagon na nakakabit sa isang zigzag na gilid ay hindi maaaring kumilos bilang isang lokal na sentro ng nucleation upang itaguyod ang paglago.
Media material No. 2
Sa halip, ang isang panaka-nakang ngunit hindi konektadong network ng mga pentagon ay unang nabubuo sa zigzag edge, at ang mga kasunod na papasok na mga molekula ng tubig ay sama-samang nagtatangkang ikonekta ang mga pentagons na ito, na nagreresulta sa pagbuo ng isang istraktura ng 565-type na mga chain. Sa kasamaang palad, ang gayong istraktura ay hindi naobserbahan sa panahon ng mga praktikal na obserbasyon, na nagpapaliwanag ng napakaikling buhay nito.
Media material No. 3 at No. 4
Ang pagdaragdag ng isang pares ng tubig ay nagkokonekta sa 565 na uri ng istraktura at sa katabing pentagon, na nagreresulta sa pagbuo ng 5666 na uri ng istraktura.
Ang 5666 type na istraktura ay lumalaki sa gilid upang bumuo ng 56665 na uri ng istraktura at sa kalaunan ay bubuo sa isang ganap na konektadong hexagonal na sala-sala.
Media material No. 5 at No. 6
Sa larawan 4b ang paglago ay ipinapakita sa kaso ng isang tadyang ng armchair. Ang conversion mula sa type 575 rings hanggang sa type 656 rings ay nagsisimula sa ibabang layer, na bumubuo ng composite 575/656 na istraktura na hindi maaaring makilala mula sa isang type 5756 fin sa mga eksperimento, dahil tanging ang tuktok na layer ng dalawang-layer na yelo ang maaaring ilarawan. sa panahon ng mga eksperimento.
Media material No. 7
Ang nagresultang tulay 656 ay nagiging sentro ng nucleation para sa paglaki ng 5656 rib.
Media material No. 8
Ang pagdaragdag ng isang molekula ng tubig sa isang 5656 na gilid ay nagreresulta sa isang napaka-mobile na hindi nakapares na istraktura ng molekula.
Media material No. 9
Dalawa sa mga hindi magkapares na molekula ng tubig na ito ay maaaring pagsamahin sa isang mas matatag na istraktura ng heptagonal, na kumukumpleto ng conversion mula 5656 hanggang 5756.
Para sa isang mas detalyadong kakilala sa mga nuances ng pag-aaral, inirerekumenda ko ang pagtingin sa .
Epilogo
Ang pangunahing konklusyon ng pag-aaral na ito ay ang naobserbahang pag-uugali ng mga istruktura sa panahon ng paglaki ay maaaring karaniwan sa lahat ng uri ng dalawang-dimensional na yelo. Ang bilayer hexagonal na yelo ay nabubuo sa iba't ibang hydrophobic na ibabaw at sa ilalim ng hydrophobic confinement na mga kondisyon, at samakatuwid ay maaaring ituring bilang isang hiwalay na 2D na kristal (2D ice I), ang pagbuo nito ay hindi sensitibo sa pinagbabatayan na istraktura ng substrate.
Matapat na sinasabi ng mga siyentipiko na ang kanilang imaging technique ay hindi pa angkop para sa pagtatrabaho sa tatlong-dimensional na yelo, ngunit ang mga resulta ng pag-aaral ng dalawang-dimensional na yelo ay maaaring magsilbing batayan para sa pagpapaliwanag sa proseso ng pagbuo ng volumetric na kamag-anak nito. Sa madaling salita, ang pag-unawa kung paano nabuo ang dalawang-dimensional na istruktura ay isang mahalagang pundasyon para sa pag-aaral ng mga three-dimensional. Ito ay para sa layuning ito na plano ng mga mananaliksik na pagbutihin ang kanilang pamamaraan sa hinaharap.
Salamat sa pagbabasa, stay curious and have a great week guys. π
Ilang ad π
Salamat sa pananatili sa amin. Gusto mo ba ang aming mga artikulo? Gustong makakita ng mas kawili-wiling nilalaman? Suportahan kami sa pamamagitan ng pag-order o pagrekomenda sa mga kaibigan, , isang natatanging analogue ng mga entry-level na server, na inimbento namin para sa iyo: (magagamit sa RAID1 at RAID10, hanggang 24 na core at hanggang 40GB DDR4).
Dell R730xd 2x na mas mura sa Equinix Tier IV data center sa Amsterdam? Dito lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mula $99! Basahin ang tungkol sa
Pinagmulan: www.habr.com