Mọi người đều biết rằng nước xảy ra ở ba trạng thái kết tụ. Chúng tôi đặt ấm lên và nước bắt đầu sôi và bay hơi, chuyển từ dạng lỏng sang dạng khí. Chúng tôi cho nó vào tủ đông, và nó bắt đầu biến thành băng, từ đó chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Tuy nhiên, trong một số trường hợp nhất định, hơi nước có trong không khí có thể ngay lập tức chuyển sang pha rắn, bỏ qua pha lỏng. Chúng ta biết đến quá trình này qua kết quả của nó - những hoa văn đẹp mắt trên cửa sổ vào một ngày mùa đông băng giá. Những người đam mê ô tô, khi cạo một lớp băng trên kính chắn gió, thường mô tả quá trình này bằng những biểu tượng không khoa học lắm nhưng rất giàu cảm xúc và sống động. Bằng cách này hay cách khác, chi tiết về sự hình thành băng hai chiều đã được giữ bí mật trong nhiều năm. Và gần đây, lần đầu tiên, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã có thể hình dung được cấu trúc nguyên tử của băng hai chiều trong quá trình hình thành. Những bí mật nào ẩn giấu trong quá trình vật lý tưởng chừng đơn giản này, các nhà khoa học đã làm cách nào để khám phá ra chúng và những phát hiện của họ hữu ích như thế nào? Báo cáo của nhóm nghiên cứu sẽ cho chúng ta biết về điều này. Đi.
Cơ sở nghiên cứu
Nếu chúng ta phóng đại thì hầu như mọi vật thể xung quanh chúng ta đều có ba chiều. Tuy nhiên, nếu chúng ta xem xét một số trong số chúng một cách tỉ mỉ hơn, chúng ta cũng có thể tìm thấy những cái hai chiều. Lớp băng hình thành trên bề mặt của một vật nào đó là một ví dụ điển hình cho điều này. Sự tồn tại của những cấu trúc như vậy không phải là điều bí mật đối với cộng đồng khoa học vì chúng đã được phân tích nhiều lần. Nhưng vấn đề là việc hình dung các cấu trúc siêu bền hoặc trung gian liên quan đến sự hình thành băng 2D là khá khó khăn. Điều này là do các vấn đề tầm thường - sự mong manh và dễ vỡ của các cấu trúc đang được nghiên cứu.
May mắn thay, các phương pháp quét hiện đại cho phép phân tích mẫu với tác động tối thiểu, cho phép thu được dữ liệu tối đa trong một khoảng thời gian ngắn, vì những lý do trên. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử không tiếp xúc, với đầu kim của kính hiển vi được phủ một lớp carbon monoxide (CO). Sự kết hợp của các công cụ quét này giúp có thể thu được hình ảnh thời gian thực về cấu trúc rìa của băng lục giác hai lớp hai chiều phát triển trên bề mặt vàng (Au).
Kính hiển vi đã chỉ ra rằng trong quá trình hình thành băng hai chiều, hai loại cạnh (đoạn nối hai đỉnh của đa giác) cùng tồn tại đồng thời trong cấu trúc của nó: zigzag (zigzag) và hình cái ghế (ghế bành).
Креслообразные (слева) и зигзагообразные (справа) ребра на примере графена.
Ở giai đoạn này, các mẫu được đông lạnh nhanh chóng, cho phép kiểm tra cấu trúc nguyên tử một cách chi tiết. Việc mô hình hóa cũng được thực hiện, kết quả phần lớn trùng khớp với kết quả quan sát.
Người ta nhận thấy rằng trong trường hợp hình thành các đường gân ngoằn ngoèo, một phân tử nước bổ sung sẽ được thêm vào cạnh hiện có và toàn bộ quá trình được điều chỉnh bởi cơ chế bắc cầu. Nhưng trong trường hợp hình thành các gân ghế bành, không có phân tử bổ sung nào được phát hiện, điều này trái ngược hẳn với những quan niệm truyền thống về sự phát triển của băng lục giác hai lớp và các chất lục giác hai chiều nói chung.
Tại sao các nhà khoa học chọn kính hiển vi lực nguyên tử không tiếp xúc để quan sát thay vì kính hiển vi quét đường hầm (STM) hoặc kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)? Như chúng ta đã biết, sự lựa chọn này liên quan đến khó khăn trong việc nghiên cứu cấu trúc dễ vỡ và tồn tại trong thời gian ngắn của băng hai chiều. STM trước đây đã được sử dụng để nghiên cứu băng 2D mọc trên nhiều bề mặt khác nhau, nhưng loại kính hiển vi này không nhạy với vị trí của hạt nhân và đầu của nó có thể gây ra lỗi hình ảnh. Ngược lại, TEM thể hiện hoàn hảo cấu trúc nguyên tử của xương sườn. Tuy nhiên, để có được hình ảnh chất lượng cao đòi hỏi các electron năng lượng cao, chúng có thể dễ dàng thay đổi hoặc thậm chí phá hủy cấu trúc cạnh của vật liệu XNUMXD liên kết cộng hóa trị, chưa kể đến các cạnh liên kết lỏng lẻo hơn trong băng XNUMXD.
Kính hiển vi lực nguyên tử không có những nhược điểm như vậy và đầu được phủ CO cho phép nghiên cứu nước ở bề mặt với ảnh hưởng tối thiểu đến các phân tử nước.
Kết quả nghiên cứu
Hình ảnh số 1
Двумерный лед был выращен на поверхности Au (111) при температуре около 120 К, а его толщина составила 2.5 Å (XUẤT KHẨU).
Hình ảnh STM của băng (1c) và hình ảnh biến đổi Fourier nhanh tương ứng (chèn vào XUẤT KHẨU) thể hiện cấu trúc lục giác có trật tự tốt với chu kỳ Au(111)-√3 x √3-30°. Mặc dù mạng băng 2D được kết nối H di động có thể nhìn thấy trong hình ảnh STM, nhưng cấu trúc liên kết chi tiết của các cấu trúc cạnh rất khó xác định. Đồng thời, AFM với độ lệch tần số (Δf) của cùng một vùng mẫu cho hình ảnh tốt hơn (1d), giúp có thể hình dung được các phần hình ghế và ngoằn ngoèo của cấu trúc. Tổng chiều dài của cả hai biến thể là tương đương nhau, nhưng chiều dài trung bình của sườn trước dài hơn một chút (1b). Các xương sườn ngoằn ngoèo có thể dài tới 60 Å, nhưng những xương hình ghế bị che phủ bởi các khuyết tật trong quá trình hình thành, khiến chiều dài tối đa của chúng bị giảm xuống còn 10-30 Å.
Tiếp theo, tạo ảnh AFM có hệ thống được thực hiện ở các độ cao kim khác nhau (XUẤT KHẨU).
Hình ảnh số 2
Ở độ cao đầu cao nhất, khi tín hiệu AFM bị chi phối bởi lực tĩnh điện bậc cao hơn, hai bộ mạng con √3 x √3 trong băng hai lớp hai chiều đã được xác định, một trong số đó được hiển thị trong XUẤT KHẨU (bên trái).
Ở độ cao kim thấp hơn, các phần tử sáng của mảng con này bắt đầu thể hiện tính định hướng và mảng con kia chuyển thành phần tử hình chữ V (2a, căn giữa).
Ở độ cao kim tối thiểu, AFM cho thấy cấu trúc tổ ong với các đường rõ ràng nối hai mạng con, gợi nhớ đến liên kết H (2a, bên phải).
Tính toán lý thuyết hàm mật độ cho thấy băng hai chiều phát triển trên bề mặt Au(111) tương ứng với cấu trúc băng hai lớp lồng vào nhau (2с), bao gồm hai lớp nước hình lục giác phẳng. Các hình lục giác của hai tấm được liên hợp và góc giữa các phân tử nước trong mặt phẳng là 120°.
Trong mỗi lớp nước, một nửa phân tử nước nằm ngang (song song với chất nền) và nửa còn lại nằm thẳng đứng (vuông góc với chất nền), với một O–H hướng lên hoặc xuống. Nước nằm thẳng đứng trong một lớp tạo liên kết H cho nước nằm ngang ở lớp khác, dẫn đến cấu trúc hình chữ H bão hòa hoàn toàn.
АСМ моделирование с использованием квадрупольной (dz 2) иглы (2b) dựa trên mô hình trên phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm (2a). Thật không may, độ cao tương tự của nước theo chiều ngang và chiều dọc khiến việc nhận dạng chúng trở nên khó khăn trong quá trình chụp ảnh STM. Tuy nhiên, khi sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử, các phân tử của cả hai loại nước đều có thể phân biệt rõ ràng (2a и 2b phải) vì lực tĩnh điện bậc cao rất nhạy cảm với sự định hướng của các phân tử nước.
Cũng có thể xác định thêm hướng OH của nước theo chiều ngang và chiều dọc thông qua sự tương tác giữa lực tĩnh điện bậc cao và lực đẩy Pauli, như được thể hiện bằng các đường màu đỏ trong XUẤT KHẨU и 2b (trung tâm).
Hình ảnh số 3
Trong những hình ảnh XUẤT KHẨU и 3b (Giai đoạn 1) lần lượt hiển thị hình ảnh AFM phóng to của các vây ngoằn ngoèo và ghế bành. Người ta nhận thấy rằng cạnh ngoằn ngoèo phát triển trong khi vẫn duy trì cấu trúc ban đầu và với sự phát triển của cạnh hình chiếc ghế, cạnh này được phục hồi theo cấu trúc tuần hoàn của 5756 vòng, tức là. khi cấu trúc của các gân định kỳ lặp lại trình tự hình ngũ giác - hình bảy cạnh - hình ngũ giác - hình lục giác.
Tính toán lý thuyết chức năng mật độ cho thấy vây zigzag không được tái tạo và vây ghế 5756 là ổn định nhất. Cạnh 5756 được hình thành là kết quả của các hiệu ứng kết hợp giúp giảm thiểu số lượng liên kết hydro không bão hòa và giảm năng lượng biến dạng.
Các nhà khoa học nhớ lại rằng các mặt phẳng cơ bản của băng hình lục giác thường kết thúc bằng các đường gân ngoằn ngoèo và không có các đường gân hình ghế do mật độ liên kết hydro không bão hòa cao hơn. Tuy nhiên, trong các hệ thống nhỏ hoặc nơi không gian bị hạn chế, vây ghế có thể giảm năng lượng thông qua việc thiết kế lại phù hợp.
Như đã đề cập trước đó, khi ngừng tăng trưởng băng ở 120 K, mẫu ngay lập tức được làm lạnh đến 5 K để cố gắng đóng băng các cấu trúc cạnh siêu bền hoặc chuyển tiếp và đảm bảo tuổi thọ mẫu tương đối dài cho nghiên cứu chi tiết sử dụng STM và AFM. Cũng có thể tái tạo lại quá trình phát triển của băng hai chiều (ảnh số 3) nhờ đầu kính hiển vi chức năng CO, giúp phát hiện các cấu trúc siêu bền và chuyển tiếp.
В случае зигзагообразных ребер иногда обнаруживались отдельные пятиугольники, прикрепленные к прямым ребрам. Они могли выстраиваться в ряд, образуя массив с периодичностью 2 х aice (aice là hằng số mạng của băng hai chiều). Quan sát này có thể chỉ ra rằng sự phát triển của các cạnh ngoằn ngoèo được bắt đầu bằng sự hình thành của một dãy ngũ giác định kỳ (XUẤT KHẨU, этап 1-3), который включает в себя добавление двух водных пар для пятиугольника (красные стрелки).
Tiếp theo, mảng ngũ giác được nối với nhau tạo thành cấu trúc như 56665 (XUẤT KHẨU, giai đoạn 4), sau đó khôi phục lại hình dạng ngoằn ngoèo ban đầu bằng cách bổ sung thêm hơi nước.
Với các cạnh hình chiếc ghế thì tình huống ngược lại - không có dãy hình ngũ giác mà thay vào đó là những khoảng trống ngắn như 5656 trên cạnh thường được quan sát thấy. Chiều dài của vây 5656 ngắn hơn đáng kể so với 5756. Điều này có thể là do vây 5656 chịu ứng suất cao và kém ổn định hơn so với 5756. Bắt đầu với vây ghế 5756, 575 vòng được chuyển đổi cục bộ thành 656 vòng bằng cách thêm hai vòng hơi nước (3b, giai đoạn 2). Tiếp theo, các vòng 656 mọc theo hướng ngang, tạo thành cạnh kiểu 5656 (3b, giai đoạn 3), nhưng có chiều dài hạn chế do sự tích tụ năng lượng biến dạng.
Nếu một cặp nước được thêm vào hình lục giác của vây 5656, sự biến dạng có thể bị suy yếu một phần và điều này một lần nữa sẽ dẫn đến sự hình thành của vây 5756 (3b, giai đoạn 4).
Các kết quả trên rất mang tính biểu thị, nhưng người ta quyết định hỗ trợ chúng bằng dữ liệu bổ sung thu được từ các tính toán động lực phân tử của hơi nước trên bề mặt Au (111).
Người ta nhận thấy rằng các đảo băng hai lớp XNUMXD đã hình thành thành công và không bị cản trở trên bề mặt, điều này phù hợp với các quan sát thử nghiệm của chúng tôi.
Hình ảnh số 4
trên hình ảnh XUẤT KHẨU Cơ chế hình thành tập thể các cầu trên các sườn ngoằn ngoèo được thể hiện từng bước.
Dưới đây là các tài liệu truyền thông về nghiên cứu này kèm theo phần mô tả.
Tài liệu truyền thông số 1
Điều đáng chú ý là một hình ngũ giác duy nhất được gắn vào một cạnh ngoằn ngoèo không thể hoạt động như một trung tâm tạo mầm cục bộ để thúc đẩy tăng trưởng.
Tài liệu truyền thông số 2
Thay vào đó, một mạng lưới ngũ giác định kỳ nhưng không liên kết ban đầu hình thành trên cạnh ngoằn ngoèo và các phân tử nước tiếp theo cố gắng kết nối các ngũ giác này, dẫn đến sự hình thành cấu trúc của chuỗi loại 565. Thật không may, cấu trúc như vậy đã không được quan sát thấy trong quá trình quan sát thực tế, điều này giải thích tuổi thọ cực kỳ ngắn của nó.
Tài liệu truyền thông số 3 và số 4
Việc bổ sung một cặp nước kết nối cấu trúc loại 565 và hình ngũ giác liền kề, dẫn đến sự hình thành cấu trúc loại 5666.
Cấu trúc kiểu 5666 phát triển theo chiều ngang để tạo thành cấu trúc kiểu 56665 và cuối cùng phát triển thành một mạng lục giác được kết nối đầy đủ.
Tài liệu truyền thông số 5 và số 6
trên hình ảnh 4b sự tăng trưởng được thể hiện trong trường hợp xương sườn của ghế bành. Việc chuyển đổi từ các vòng loại 575 sang các vòng loại 656 bắt đầu từ lớp dưới cùng, tạo thành cấu trúc tổng hợp 575/656 không thể phân biệt được với vây loại 5756 trong các thí nghiệm, vì chỉ có thể chụp được lớp trên cùng của băng hai lớp trong các thí nghiệm.
Tài liệu truyền thông số 7
Полученный в результате мост 656 становится центром нуклеации для роста ребра типа 5656.
Tài liệu truyền thông số 8
Việc thêm một phân tử nước vào cạnh 5656 sẽ tạo ra cấu trúc phân tử không ghép đôi có tính di động cao.
Tài liệu truyền thông số 9
Hai trong số các phân tử nước chưa ghép cặp này sau đó có thể kết hợp thành cấu trúc hình bảy cạnh ổn định hơn, hoàn thành quá trình chuyển đổi từ 5656 thành 5756.
Để làm quen chi tiết hơn với các sắc thái của nghiên cứu, tôi khuyên bạn nên xem .
Phần kết
Kết luận chính của nghiên cứu này là hành vi quan sát được của các cấu trúc trong quá trình tăng trưởng có thể phổ biến đối với tất cả các loại băng hai chiều. Băng hình lục giác hai lớp hình thành trên các bề mặt kỵ nước khác nhau và trong điều kiện giam cầm kỵ nước, và do đó có thể được coi là một tinh thể 2D riêng biệt (băng 2D I), sự hình thành của nó không nhạy cảm với cấu trúc bên dưới của chất nền.
Các nhà khoa học thành thật nói rằng kỹ thuật hình ảnh của họ vẫn chưa phù hợp để làm việc với băng ba chiều, nhưng kết quả nghiên cứu băng hai chiều có thể làm cơ sở để giải thích quá trình hình thành thể tích tương đối của nó. Nói cách khác, hiểu cách hình thành các cấu trúc hai chiều là nền tảng quan trọng để nghiên cứu các cấu trúc ba chiều. Vì mục đích này mà các nhà nghiên cứu có kế hoạch cải tiến phương pháp của họ trong tương lai.
Cảm ơn các bạn đã quan tâm, hãy luôn tò mò và chúc mọi người một tuần tốt lành. 🙂
Một số quảng cáo 🙂
Cảm ơn bạn đã ở với chúng tôi. Bạn có thích bài viết của chúng tôi? Bạn muốn xem nội dung thú vị hơn? Hỗ trợ chúng tôi bằng cách đặt hàng hoặc giới thiệu cho bạn bè, , một dạng tương tự duy nhất của các máy chủ cấp đầu vào do chúng tôi phát minh ra dành cho bạn: (có sẵn với RAID1 và RAID10, tối đa 24 lõi và tối đa 40GB DDR4).
Dell R730xd rẻ hơn gấp 2 lần tại trung tâm dữ liệu Equinix Tier IV ở Amsterdam? Chỉ ở đây ở Hà Lan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - từ $99! Đọc về
Nguồn: www.habr.com