Har bir inson suvning uchta agregat holatida sodir bo'lishini biladi. Biz choynakni qo'yamiz va suv qaynay boshlaydi va bug'lanadi, suyuqlikdan gazga aylanadi. Biz uni muzlatgichga qo'yamiz va u muzga aylana boshlaydi va shu bilan suyuqlikdan qattiq holatga o'tadi. Biroq, muayyan sharoitlarda havoda mavjud bo'lgan suv bug'lari suyuqlik fazasini chetlab o'tib, darhol qattiq fazaga o'tishi mumkin. Biz bu jarayonni natijasi bilan bilamiz - ayozli qish kuni derazalardagi chiroyli naqshlar. Avtomobil ixlosmandlari, old oynadan muz qatlamini qirib tashlashda, ko'pincha bu jarayonni juda ilmiy emas, balki juda hissiy va yorqin epitetlar yordamida tavsiflaydilar. Qanday bo'lmasin, ikki o'lchovli muzning paydo bo'lishi tafsilotlari ko'p yillar davomida sir yopilgan. Va yaqinda, birinchi marta, xalqaro olimlar jamoasi ikki o'lchovli muzning shakllanishi paytida uning atom tuzilishini tasavvur qilish imkoniyatiga ega bo'ldi. Bu oddiy ko'rinadigan jismoniy jarayonda qanday sirlar yashiringan, olimlar ularni qanday ochishga muvaffaq bo'lishdi va ularning topilmalari qanchalik foydali? Tadqiqot guruhining hisoboti bu haqda bizga xabar beradi. Bor.
Tadqiqot asoslari
Agar mubolag'a qilsak, atrofimizdagi deyarli barcha ob'ektlar uch o'lchovli. Biroq, ularning ba'zilarini sinchiklab ko'rib chiqsak, ikki o'lchovlilarini ham topishimiz mumkin. Biror narsa yuzasida hosil bo'lgan muz qobig'i bunga yorqin misoldir. Bunday tuzilmalarning mavjudligi ilmiy jamoatchilikka sir emas, chunki ular ko'p marta tahlil qilingan. Ammo muammo shundaki, 2D muzning shakllanishida ishtirok etadigan metastabil yoki oraliq tuzilmalarni tasavvur qilish juda qiyin. Bu banal muammolar bilan bog'liq - o'rganilayotgan tuzilmalarning mo'rtligi va mo'rtligi.
Yaxshiyamki, zamonaviy skanerlash usullari namunalarni minimal ta'sir bilan tahlil qilish imkonini beradi, bu esa yuqoridagi sabablarga ko'ra qisqa vaqt ichida maksimal ma'lumotlarni olish imkonini beradi. Ushbu tadqiqotda olimlar uglerod oksidi (CO) bilan qoplangan mikroskop igna uchi bilan kontaktsiz atom kuchi mikroskopidan foydalanganlar. Ushbu skanerlash vositalarining kombinatsiyasi oltin (Au) yuzasida o'stirilgan ikki o'lchovli ikki qatlamli olti burchakli muzning chekka tuzilmalarining real vaqt rejimida tasvirini olish imkonini beradi.
Mikroskopiya shuni ko'rsatdiki, ikki o'lchovli muz hosil bo'lganda, uning tuzilishida bir vaqtning o'zida ikki turdagi qirralar (ko'pburchakning ikkita uchini bog'laydigan segmentlar) mavjud: zigzag (zigzag) va stul shaklida (kreslo).
Misol sifatida grafendan foydalangan holda kreslo (chapda) va zigzag (o'ng) qirralari.
Ushbu bosqichda namunalar tezda muzlatildi, bu atom tuzilishini batafsil tekshirishga imkon berdi. Modellashtirish ham amalga oshirildi, uning natijalari asosan kuzatuv natijalariga to'g'ri keldi.
Aniqlanishicha, zigzag qovurg'alar hosil bo'lgan taqdirda, mavjud chetga qo'shimcha suv molekulasi qo'shiladi va butun jarayon ko'prik mexanizmi bilan tartibga solinadi. Ammo kreslo qovurg'alari hosil bo'lgan taqdirda, qo'shimcha molekulalar aniqlanmadi, bu ikki qavatli olti burchakli muz va umuman ikki o'lchovli olti burchakli moddalarning o'sishi haqidagi an'anaviy g'oyalarga keskin qarama-qarshidir.
Nega olimlar o'z kuzatishlari uchun skanerlash tunnel mikroskopini (STM) yoki transmissiya elektron mikroskopini (TEM) emas, balki kontaktsiz atom kuch mikroskopini tanlashdi? Biz allaqachon bilganimizdek, tanlov ikki o'lchovli muzning qisqa muddatli va mo'rt tuzilmalarini o'rganish qiyinligi bilan bog'liq. STM ilgari turli sirtlarda o'sgan 2D muzlarni o'rganish uchun ishlatilgan, ammo bu turdagi mikroskop yadrolarning holatiga sezgir emas va uning uchi tasvirlash xatolariga olib kelishi mumkin. TEM, aksincha, qovurg'alarning atom tuzilishini mukammal ko'rsatadi. Biroq, yuqori sifatli tasvirlarni olish uchun yuqori energiyali elektronlar talab qilinadi, ular kovalent bog'langan XNUMXD materiallarning chekka tuzilishini osongina o'zgartirishi yoki hatto yo'q qilishi mumkin, XNUMXD muzdagi yumshoqroq bog'langan qirralarni hisobga olmaganda.
Atom kuch mikroskopining bunday kamchiliklari yo'q va CO bilan qoplangan uchi suv molekulalariga minimal ta'sir ko'rsatadigan interfaal suvni o'rganish imkonini beradi.
Tadqiqot natijalari
Rasm β1
Ikki o'lchovli muz Au (111) yuzasida taxminan 120 K haroratda o'stirilgan va qalinligi 2.5 Γ (1Π°).
STM muz tasvirlari (1c) va mos keladigan tez Furye o'zgarishi tasviri (ichiga kiritilgan 1Π°) Au(111)-β3 x β3-30Β° davriyligi bilan yaxshi tartiblangan olti burchakli strukturani ko'rsating. 2D muzning uyali H-ulangan tarmog'i STM tasvirida ko'rinsa-da, chekka tuzilmalarning batafsil topologiyasini aniqlash qiyin. Shu bilan birga, bir xil namuna maydonining chastotali siljishi (DF) bilan AFM yaxshi tasvirlarni berdi (1d), bu strukturaning stul shaklidagi va zigzag qismlarini tasavvur qilish imkonini berdi. Ikkala variantning umumiy uzunligi solishtirish mumkin, ammo oldingi qovurg'aning o'rtacha uzunligi biroz uzunroq (1b). Zigzag qovurg'alarining uzunligi 60 Γ gacha o'sishi mumkin, ammo stul shaklidagilar shakllanish jarayonida nuqsonlar bilan qoplanadi, bu ularning maksimal uzunligini 10-30 Γ gacha kamaytiradi.
Keyinchalik, turli igna balandliklarida tizimli AFM tasviri o'tkazildi (2Π°).
Rasm β2
Eng yuqori uchi balandligida, AFM signali yuqori tartibli elektrostatik kuch bilan hukmron bo'lganda, ikki o'lchovli ikki qatlamli muzda β3 x β3 pastki panjaralarning ikkita to'plami aniqlangan, ulardan biri quyidagi rasmda ko'rsatilgan. 2Π° (chapda).
Pastki igna balandliklarida ushbu pastki qatorning yorqin elementlari yo'nalishni ko'rsata boshlaydi va boshqa pastki qator V shaklidagi elementga aylanadi (2a, markazlashtirilgan).
Minimal igna balandligida AFM H-bog'larini eslatuvchi ikkita pastki panjarani bog'laydigan aniq chiziqlar bilan chuqurchalar tuzilishini ochib beradi (2a, o'ngda).
Zichlikning funktsional nazariyasi hisob-kitoblari shuni ko'rsatadiki, Au (111) yuzasida o'sgan ikki o'lchovli muz bir-biriga bog'langan ikki qatlamli muz tuzilishiga mos keladi (2 soniya), ikkita tekis olti burchakli suv qatlamidan iborat. Ikki varaqning olti burchaklari konjuge bo'lib, tekislikdagi suv molekulalari orasidagi burchak 120 Β° dir.
Har bir suv qatlamida suv molekulalarining yarmi gorizontal (substratga parallel) va ikkinchi yarmi vertikal (substratga perpendikulyar) yotadi, bir O-H yuqoriga yoki pastga qaratilgan. Bir qatlamda vertikal yotgan suv boshqa qatlamdagi gorizontal suvga H-bog'ini beradi, natijada to'liq to'yingan H shaklidagi struktura hosil bo'ladi.
Quadrupole (dz 2) uchi yordamida AFM simulyatsiyasi (2b) yuqoridagi modelga asoslangan eksperimental natijalar bilan yaxshi mos keladi (2a). Afsuski, gorizontal va vertikal suvning o'xshash balandliklari STM tasviri paytida ularni aniqlashni qiyinlashtiradi. Biroq, atom kuch mikroskopidan foydalanganda, har ikkala turdagi suvning molekulalari aniq ajralib turadi (2a ΠΈ 2b o'ng) chunki yuqori tartibli elektrostatik kuch suv molekulalarining yo'nalishiga juda sezgir.
Yuqori tartibli elektrostatik kuchlar va Pauli itaruvchi kuchlar o'rtasidagi o'zaro ta'sir orqali gorizontal va vertikal suvning OH yo'nalishini qo'shimcha ravishda aniqlash mumkin edi, bu qizil chiziqlar bilan ko'rsatilgan. 2Π° ΠΈ 2b (markazda).
Rasm β3
Tasvirlarda 3Π° ΠΈ 3b (1-bosqich) mos ravishda zigzag va kreslo qanotlarining kattalashtirilgan AFM tasvirlarini ko'rsatadi. Aniqlanishicha, zigzag qirrasi asl tuzilishini saqlab qolgan holda o'sib boradi va stul shaklidagi qirraning o'sishi bilan chekka 5756 halqaning davriy tuzilishida tiklanadi, ya'ni. qovurg'a tuzilishi vaqti-vaqti bilan beshburchak - etti burchak - beshburchak - olti burchakli ketma-ketlikni takrorlaganda.
Zichlik funktsional nazariyasi hisob-kitoblari shuni ko'rsatadiki, rekonstruksiya qilinmagan zigzag fin va 5756 stul qanoti eng barqaror hisoblanadi. 5756 chekkasi to'yinmagan vodorod aloqalari sonini kamaytiradigan va kuchlanish energiyasini kamaytiradigan qo'shma effektlar natijasida hosil bo'ladi.
Olimlarning eslashicha, olti burchakli muzning bazal tekisliklari odatda zigzag qovurg'alar bilan tugaydi va to'yinmagan vodorod aloqalarining yuqori zichligi tufayli stul shaklidagi qovurg'alar yo'q. Biroq, kichik tizimlarda yoki bo'sh joy cheklangan joylarda, stul qanotlari to'g'ri qayta loyihalash orqali o'z energiyasini kamaytirishi mumkin.
Yuqorida aytib o'tilganidek, 120 K da muzning o'sishi to'xtatilganda, metastabil yoki o'tish qirrasi tuzilmalarini muzlatish va STM va AFM yordamida batafsil o'rganish uchun namunaning nisbatan uzoq umrini ta'minlash uchun namuna darhol 5 K ga sovutildi. Shuningdek, CO-funktsionallashtirilgan mikroskop uchi tufayli ikki o'lchovli muzning o'sish jarayonini qayta qurish mumkin bo'ldi (3-rasm), bu metastabil va o'tish tuzilmalarini aniqlash imkonini berdi.
Zigzag qovurg'alar holatida, ba'zan tekis qovurg'alarga biriktirilgan alohida beshburchaklar topilgan. Ular bir qatorga joylashib, davriyligi 2 x bo'lgan massiv hosil qilishlari mumkin edi muz (muz ikki o'lchovli muzning panjara konstantasi). Ushbu kuzatish zigzag qirralarning o'sishi davriy beshburchaklar qatorining shakllanishi bilan boshlanganligini ko'rsatishi mumkin (3Π°, 1-3-bosqich), bu beshburchak uchun ikkita suv juftini qo'shishni o'z ichiga oladi (qizil o'qlar).
Keyinchalik, beshburchaklar massivi 56665 kabi tuzilish hosil qilish uchun ulanadi.3Π°, 4-bosqich), so'ngra ko'proq suv bug'ini qo'shish orqali asl zigzag ko'rinishini tiklaydi.
Kreslo shaklidagi qirralarda vaziyat aksincha - beshburchaklar qatorlari yo'q, lekin uning o'rniga chekkadagi 5656 kabi qisqa bo'shliqlar ko'pincha kuzatiladi. 5656 fin uzunligi 5756 dan sezilarli darajada qisqaroq. Buning sababi, 5656 fin juda zo'riqish va 5756 dan kamroq barqaror bo'lganligidir. 5756 stul qanotidan boshlab, 575 ta halqa mahalliy ravishda ikkita qo'shib 656 halqaga aylantiriladi. suv bug'i (3b, 2-bosqich). Keyinchalik, 656 halqalar ko'ndalang yo'nalishda o'sib, 5656 tipidagi chekka hosil qiladi (3b, 3-bosqich), lekin deformatsiya energiyasining to'planishi tufayli cheklangan uzunlik bilan.
Agar 5656 finning olti burchakli qismiga bitta suv jufti qo'shilsa, deformatsiya qisman zaiflashishi mumkin va bu yana 5756 fin hosil bo'lishiga olib keladi (3b, 4-bosqich).
Yuqoridagi natijalar juda dalolatlidir, ammo ularni Au (111) yuzasida suv bug'ining molekulyar dinamikasi hisob-kitoblaridan olingan qo'shimcha ma'lumotlar bilan qo'llab-quvvatlashga qaror qilindi.
Ikki qavatli muz orollari er yuzida muvaffaqiyatli va to'siqsiz shakllanganligi aniqlandi, bu bizning eksperimental kuzatishlarimizga mos keladi.
Rasm β4
Rasmda 4Π° Zigzag qovurg'alarida ko'priklarning kollektiv shakllanish mexanizmi bosqichma-bosqich ko'rsatilgan.
Quyida tavsifi bilan ushbu tadqiqot bo'yicha ommaviy axborot vositalari mavjud.
Ommaviy axborot vositalari β 1
Shunisi e'tiborga loyiqki, zigzag chetiga biriktirilgan bitta beshburchak o'sishni rag'batlantirish uchun mahalliy yadro markazi sifatida harakat qila olmaydi.
Ommaviy axborot vositalari β 2
Buning o'rniga dastlab zigzag chekkasida davriy, lekin bir-biri bilan bog'lanmagan beshburchaklar tarmog'i hosil bo'ladi va keyinchalik kiruvchi suv molekulalari birgalikda ushbu beshburchaklarni bog'lashga harakat qiladilar, natijada 565 tipidagi zanjirli struktura hosil bo'ladi.Afsuski, bunday tuzilma ish paytida kuzatilmagan. amaliy kuzatishlar, bu uning juda qisqa umrini tushuntiradi.
No3 va 4-sonli OAV materiallari
Bitta suv juftining qo'shilishi 565 turdagi strukturani va qo'shni beshburchakni bog'laydi, natijada 5666 turdagi struktura hosil bo'ladi.
5666 tipidagi struktura 56665 tipidagi strukturani hosil qilish uchun yon tomonga o'sib boradi va oxir-oqibat to'liq bog'langan olti burchakli panjaraga aylanadi.
No5 va 6-sonli OAV materiallari
Rasmda 4b o'sish kreslo qovurg'asi holatida ko'rsatiladi. 575-turdagi halqalardan 656-turdagi halqalarga oΚ»tkazish pastki qatlamdan boshlanadi va 575/656 kompozit strukturasini hosil qiladi, uni tajribalarda 5756-toifa qanotdan ajratib boΚ»lmaydi, chunki ikki qavatli muzning faqat yuqori qatlami tasvirlanishi mumkin. tajribalar paytida.
Ommaviy axborot vositalari β 7
Olingan ko'prik 656 5656 qovurg'aning o'sishi uchun yadro markaziga aylanadi.
Ommaviy axborot vositalari β 8
5656 qirraga bitta suv molekulasini qo'shish natijasida juda harakatchan bo'linmagan molekula tuzilishi paydo bo'ladi.
Ommaviy axborot vositalari β 9
Ushbu juftlashtirilmagan suv molekulalarining ikkitasi keyinchalik 5656 dan 5756 gacha bo'lgan konvertatsiyani yakunlab, yanada barqaror etti burchakli tuzilishga birlashishi mumkin.
Tadqiqotning nuanslari bilan batafsilroq tanishish uchun men qarashni tavsiya qilaman .
Epilog
Ushbu tadqiqotning asosiy xulosasi shundaki, o'sish davrida tuzilmalarning kuzatilgan xatti-harakatlari ikki o'lchovli muzning barcha turlari uchun umumiy bo'lishi mumkin. Ikki qatlamli olti burchakli muz turli xil hidrofobik sirtlarda va hidrofobik qamoq sharoitida hosil bo'ladi va shuning uchun shakllanishi substratning asosiy tuzilishiga sezgir bo'lmagan alohida 2D kristall (2D muz I) sifatida qaralishi mumkin.
Olimlarning ta'kidlashicha, ularning tasvirlash texnikasi hali uch o'lchamli muz bilan ishlash uchun mos emas, ammo ikki o'lchovli muzni o'rganish natijalari uning hajmli nisbiy shakllanishi jarayonini tushuntirish uchun asos bo'lib xizmat qilishi mumkin. Boshqacha qilib aytganda, ikki o'lchovli tuzilmalarning qanday shakllanishini tushunish uch o'lchovlilarni o'rganish uchun muhim asosdir. Aynan shu maqsadda tadqiqotchilar kelajakda o'z metodlarini takomillashtirishni rejalashtirmoqdalar.
O'qiganingiz uchun tashakkur, qiziquvchan bo'ling va ajoyib hafta o'tkazing. π
Ba'zi reklamalar π
Biz bilan qolganingiz uchun tashakkur. Bizning maqolalarimiz sizga yoqdimi? Ko'proq qiziqarli tarkibni ko'rishni xohlaysizmi? Buyurtma berish yoki do'stlaringizga tavsiya qilish orqali bizni qo'llab-quvvatlang, , Siz uchun biz tomonidan ixtiro qilingan boshlang'ich darajadagi serverlarning noyob analogi: (RAID1 va RAID10, 24 tagacha yadro va 40 Gb gacha DDR4 bilan mavjud).
Amsterdamdagi Equinix Tier IV ma'lumotlar markazida Dell R730xd 2 baravar arzonmi? Faqat shu yerda Gollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! Haqida o'qing
Manba: www.habr.com