أنماط على النافذة أو بلاء سائقي السيارات: كيف ينمو الجليد ثنائي الأبعاد

يعلم الجميع أن الماء يحدث في ثلاث حالات من التجميع. نضع الغلاية ، ويبدأ الماء في الغليان وتبخر ، ويمر من السائل إلى الغازي. وضعناها في الثلاجة ، وبدأت تتحول إلى جليد ، وبالتالي تنتقل من السائل إلى الحالة الصلبة. ومع ذلك ، في ظل ظروف معينة ، يمكن لبخار الماء الموجود في الهواء الدخول مباشرة إلى الطور الصلب ، متجاوزًا الطور السائل. نحن على دراية بهذه العملية من خلال نتائجه - أنماط جميلة على النوافذ في يوم شتاء بارد. بينما يميز سائقي السيارات هذه العملية باستخدام سمات غير علمية للغاية ، ولكن عاطفية وحيوية للغاية ، بينما يزيلون طبقة جليدية من الزجاج الأمامي. بطريقة أو بأخرى ، كانت تفاصيل تكوين الجليد ثنائي الأبعاد لسنوات عديدة تحت غطاء الغموض. ومؤخرا ، تمكن فريق دولي من العلماء لأول مرة من تصور التركيب الذري للثلج ثنائي الأبعاد في عملية تكوينه. ما هي الأسرار المخفية في هذه العملية الفيزيائية التي تبدو بسيطة ، وكيف اكتشفها العلماء ومدى فائدة نتائجهم؟ سوف يخبرنا تقرير المجموعة البحثية بهذا. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

إذا بالغت ، فكل الكائنات المحيطة بنا تقريبًا ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، إذا كنت تفكر في بعضها بشكل أكثر دقة ، فيمكنك الالتقاء ثنائي الأبعاد. تشكل القشرة الجليدية المتكونة على سطح شيء ما مثالاً رائعًا. وجود مثل هذه الهياكل ليس سرا للمجتمع العلمي ، لأنه قد تم تحليلها عدة مرات بالفعل. ولكن المشكلة تكمن في أنه من الصعب للغاية تصور الهياكل الثابتة أو الوسيطة التي تشارك في تكوين جليد ثنائي الأبعاد. هذا بسبب مشاكل شائعة - هشاشة وهشاشة الهياكل المدروسة.

لحسن الحظ ، تتيح لك طرق المسح الحديثة تحليل العينات بأقل تأثير عليها ، مما يسمح لك بالحصول على الحد الأقصى من البيانات في فترة زمنية قصيرة ، وذلك للأسباب المذكورة أعلاه. في هذه الدراسة ، استخدم العلماء مجهر القوة الذرية الغير ملامسة ، في حين كان طرف إبرة المجهر مغطى بأول أكسيد الكربون (CO). يتيح الجمع بين أدوات المسح هذه الحصول على صور في الوقت الفعلي لهياكل الحافة للجليد السداسي ثنائي الطبقة ثنائي الأبعاد المزروع على سطح الذهب (Au).

أظهر الفحص المجهري أنه أثناء تكوين جليد ثنائي الأبعاد ، يتعايش نوعان من الحواف (شرائح تربط بين رأسين من المضلع) في وقت واحد في هيكلها: متعرج ( على شكل ذراع) وشكل ذراع ( كرسي بذراعين ).


مثال على ذلك أضلاع على شكل ذراع (يسار) وخط متعرج (يمين) باستخدام الجرافين كمثال.

في هذه المرحلة ، تم تجميد العينات بسرعة ، مما أتاح فحص هيكل الذرات بالتفصيل. تم إجراء محاكاة أيضًا ، تزامنت نتائجها إلى حد كبير مع نتائج الملاحظات.

تبين أنه في حالة تكوين أضلاع متعرجة ، يضاف جزيء ماء إضافي إلى الضلع الموجود ، ويتم تنظيم العملية برمتها من خلال آلية تكوين الجسر. ولكن في حالة تكوين أضلاع على شكل ذراع ، لم يتم العثور على جزيئات إضافية ، وهو ما يتناقض بقوة مع الأفكار التقليدية حول نمو الجليد سداسي الطبقة اثنين والمواد السداسية ثنائية الأبعاد ككل.

لماذا اختار العلماء مجهر القوة الذرية غير الملامسة للمراقبة بدلاً من مجهر المسح النفقي (STM) أو مجهر إرسال الإلكترون (TEM)؟ كما نعلم بالفعل ، يرتبط الاختيار بتعقيد دراسة الهياكل قصيرة العمر والهشة للجليد ثنائي الأبعاد. سبق استخدام STM لدراسة الجليد ثنائي الأبعاد الذي يزرع على أسطح مختلفة ، ومع ذلك ، فإن هذا النوع من المجهر لا يتحسس لموضع النواة ، وقد تسبب إبرته أخطاء في التصور. TEM ، على العكس من ذلك ، يظهر تمامًا التركيب الذري للأضلاع. ومع ذلك ، للحصول على صور عالية الجودة ، هناك حاجة إلى الإلكترونات عالية الطاقة ، والتي يمكن بسهولة تغيير أو حتى تدمير بنية حافة المواد ثنائية الأبعاد المربوطة تساهميًا ، ناهيك عن الحواف الأضعف الأضلاع في الجليد ثنائي الأبعاد.

يخلو مجهر القوة الذرية من هذه العيوب ، وتسمح الإبرة المطلية بـ CO بدراسة المياه البينية بأقل تأثير على جزيئات الماء.

نتائج البحوث

الصورة رقم 1

نما الجليد ثنائي الأبعاد على سطح Au (111) عند درجة حرارة حوالي 120 كيلو ، وسمكه 2.5 Å ( 1a ).

تُظهر صور STM للجليد ( 1c ) والصورة المقابلة لتحويل فورييه السريع (تدرج في 1 أ ) بنية سداسية مرتبة جيدًا مع دورية Au (111) -√3 x √3-30 °. على الرغم من أن الشبكة الخلوية المرتبطة بـ H للجليد ثنائي الأبعاد مرئية في صورة STM ، يصعب تحديد الهيكل التفصيلي لهياكل الحافة. في هذه الحالة ، أعطت AFM مع انحياز تردد (Δf) من نفس الجزء من العينة صورًا أفضل ( 1d ) ، مما جعل من الممكن تصور مقاطع على شكل ذراع ومتعرج للهيكل. الطول الكلي لكلا الخيارين قابل للمقارنة ، لكن متوسط ​​طول الضلع السابق أكبر قليلاً ( 1 ب ). يمكن أن تنمو أضلاع متعرجة بطول 60 60 ، لكن الأضلاع على شكل ذراع مغطاة بعيوب أثناء التكوين ، مما يقلل من طولها الأقصى إلى 10-30 Å.

بعد ذلك ، تم إجراء التصور المنهجي AFM على ارتفاعات إبرة مختلفة ( 2A ).


الصورة رقم 2

عند أعلى ارتفاع إبرة ، عندما تسود قوة إلكتروستاتيكية ذات قوة أعلى في إشارة AFM ، تم التمييز بين مجموعتين من الشبكات الفرعية x3 x l3 في جليد ثنائي الأبعاد ، واحدة منها موضحة في 2 أ (يسار).

عند ارتفاع إبرة أقل ، تبدأ العناصر المشرقة في هذه الشبكة الفرعية في إظهار الاتجاه ، وتتحول الشبكة الفرعية الأخرى إلى عنصر على شكل حرف V ( 2 أ ، في الوسط).

عند ارتفاع الإبرة على الأقل ، يُظهر AFM بنية قرص العسل مع خطوط واضحة تربط شبكتين فرعيتين تشبه الروابط H ( 2a ، يمين).

تُظهر الحسابات باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية أن الجليد ثنائي الأبعاد الذي يزرع على سطح Au (111) يتوافق مع بنية جليدية متماسكة من طبقتين ( 2c ) تتكون من طبقتين سداسية مسطحة من الماء. السداسي للصفحتين مترابطان ، وتكون الزاوية بين جزيئات الماء في الطائرة 120 درجة.

في كل طبقة من المياه ، تقع نصف جزيئات الماء أفقياً (موازية للركيزة) ، والنصف الآخر رأسياً (عمودياً على الركيزة) ، مع توجيه O - H لأعلى أو لأسفل. الماء الراقد عموديًا في إحدى الطبقات يعطي الرابطة H إلى المياه الأفقية في طبقة أخرى ، مما يؤدي إلى بنية H مشبعة تمامًا.

نمذجة AFM باستخدام إبرة رباعي (dz 2) ( 2b ) بناءً على النموذج أعلاه تتفق جيدًا مع النتائج التجريبية ( 2 أ ). لسوء الحظ ، فإن الارتفاع المماثل للمياه الأفقية والعمودية يجعل من الصعب التعرف عليها في عملية التصوير STM. ومع ذلك ، عند استخدام الفحص المجهري للقوة الذرية ، يمكن تمييز جزيئات كلا النوعين من الماء بشكل واضح ( 2 أ و 2 ب على اليمين) ، نظرًا لأن القوة الكهروستاتيكية ذات الترتيب العالي حساسة جدًا لتوجيه جزيئات الماء.

كان من الممكن أيضًا تحديد مزيد من الاتجاهية OH للمياه الأفقية والعمودية من خلال التفاعل بين القوى الإلكتروستاتية العليا الرتبة وقوى تنافر Pauli ، والتي تظهرها الخطوط الحمراء في 2 أ و 2 ب (في الوسط).


الصورة رقم 3

تُظهر الصور 3 أ و 3 ب (الخطوة 1) صورًا AFM موسعة من متعرج وضلوع على شكل ذراع ، على التوالي. وقد وجد أن الضلع متعرج ينمو مع الحفاظ على هيكلها الأصلي ، ومع نمو واحد على شكل ذراع ، يتم استعادة الضلع في الهيكل الدوري من 5756 حلقات ، أي عندما يكرر هيكل الأضلاع دوريا تسلسل البنتاغون - السداسي - البنتاغون - السداسي.

تُظهر الحسابات باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية أن الضلع المتعرج غير المعقد والضلع على شكل كرسي من النوع 5756 هما الأكثر استقرارًا. يتكون الضلع 5756 نتيجة لتأثيرات مشتركة تقلل من مقدار روابط الهيدروجين غير المشبعة وتقلل من طاقة الإجهاد.

يتذكر العلماء أن الطائرات القاعدية للجليد السداسي تنتهي عادة في أضلاع متعرجة ، وتغيب أضلاع الكرسي بذراعين بسبب الكثافة العالية للروابط الهيدروجينية غير المشبعة. ومع ذلك ، في النظم الصغيرة أو في الأماكن الضيقة ، يمكن أن تقلل الأضلاع على شكل ذراع من الطاقة من خلال إعادة الإعمار بشكل صحيح.

كما ذُكر سابقًا ، عندما تم إيقاف نمو الجليد عند درجة حرارة 120 كلفن ، تم تبريد العينة على الفور إلى 5 كلفن في محاولة لتجميد هياكل الأضلاع الثابتة أو الانتقالية وتوفير حياة عينة طويلة نسبيًا لدراستها التفصيلية باستخدام STM و AFM. أعيد بناء عملية نمو الجليد ثنائي الأبعاد (الصورة رقم 3) أيضًا بفضل إبرة المجهر ذات الوظيفة CO ، والتي مكّنت من اكتشاف البنى الثابتة والانتقالية.

في حالة الأضلاع المتعرجة ، تم العثور في بعض الأحيان على خماسية فردية متصلة بحواف مستقيمة. يمكن أن يصطفوا ، مكونين صفيفًا بتردد يبلغ 2 × _جليد ( _{والجليد} هو ثابت الشبكة الشبكية للجليد ثنائي الأبعاد). قد تشير هذه الملاحظة إلى أن نمو الأضلاع المتعرجة يبدأ بتشكيل مجموعة دورية من البنتاغونات ( 3 أ ، المرحلة 1-3) ، والتي تشمل إضافة اثنين من أزواج المياه للبنتاغون (السهام الحمراء).

بعد ذلك ، يتم ربط صفيف البنتاغون لتكوين بنية نوع 56665 ( 3a ، الخطوة 4) ، ثم استعادة المظهر الأصلي متعرجًا ، مضيفًا المزيد من بخار الماء.

مع الضلوع على شكل ذراع ، يكون الموقف معاكسًا - لا توجد صفائف خماسية ، وبدلاً من ذلك ، يتم ملاحظة فجوات قصيرة من النوع 5656 على الحافة. طول الضلع 5656 من النوع 5756 أقصر بكثير من طول الضلع 5756. ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن الضلع من النوع 5656 متوتر جدًا وأقل ثباتًا من 5756. بدءًا من الضلع على شكل ذراع من النوع 5756 ، يتم تحويل الحلقات 575 محليًا إلى حلقات 656 عن طريق إضافة حلقتين بخار الماء ( 3 ب ، الخطوة 2). بعد ذلك ، تنمو 656 حلقة في الاتجاه العرضي ، وتشكل حافة من النوع 5656 ( 3b ، الخطوة 3) ، ولكن بطول محدود بسبب تراكم طاقة الإجهاد.

إذا تمت إضافة زوج مائي واحد إلى مسدس ضلع من النوع 5656 ، فيمكن أن يضعف التشوه جزئيًا ، وسيؤدي هذا مرة أخرى إلى تكوين ضلع من النوع 5756 ( 3 ب ، الخطوة 4).

النتائج المذكورة أعلاه هي مؤشر للغاية ، ولكن تقرر دعمها ببيانات إضافية تم الحصول عليها من حسابات الديناميات الجزيئية لبخار الماء على سطح Au (111).

وقد وجد أن الجزر الجليدية ثنائية الطبقة ثنائية الأبعاد تتشكل بنجاح وبحرية على السطح ، وهو ما يتوافق مع ملاحظاتنا التجريبية.


الصورة رقم 4

يوضح الشكل 4 أ على مراحل آلية التشكيل الجماعي للجسور على أضلاع متعرجة.

فيما يلي المواد الإعلامية لهذه الدراسة مع وصف.


تجدر الإشارة إلى أن البنتاغون المرتبط بضلع متعرج لا يمكن أن يعمل كمركز نووي محلي يعزز النمو.


بدلاً من ذلك ، يتم تكوين شبكة دورية ولكن غير متصلة من البنتاغونات مبدئيًا على ضلع متعرج ، وتحاول جزيئات الماء الواردة لاحقًا بشكل جماعي توصيل هذه البنتاغونات ، مما يؤدي إلى تكوين هيكل من سلاسل من النوع 565. وللأسف ، لم تتم ملاحظة هذا الهيكل أثناء الملاحظات العملية ، وهو ما يفسره لها فترة حياة قصيرة للغاية.


تضيف إضافة زوج واحد من الماء هيكلًا من النوع 565 وخماسيًا مجاورًا ، مما يؤدي إلى تكوين هيكل من النوع 5666.

ينمو هيكل من النوع 5666 في الاتجاه العرضي ، مكونًا بنية من النوع 56665 ويتحول في النهاية إلى شبكة سداسية متصلة تمامًا.


يوضح الشكل 4 ب النمو في حالة ضلع على شكل ذراع. يبدأ التحويل من الحلقات 575 إلى الحلقات 656 من الطبقة السفلية ، مكونًا بنية مركبة 575/656 ، والتي لا يمكن تمييزها عن ضلع من النوع 5756 في التجارب ، حيث يمكن عرض الطبقة العليا من الجليد المكون من طبقتين فقط خلال التجارب.


يصبح الجسر الناتج 656 مركز الأنوية لنمو الضلع من النوع 5656.


تؤدي إضافة جزيء ماء واحد إلى ضلع من النوع 5656 إلى بنية جزيئية غير متحركة للغاية للجزيء.


يمكن أن يتحد اثنان من جزيئات الماء غير الزوجية لاحقًا في بنية سداسية أكثر ثباتًا ، مع استكمال التحويل من 5656 إلى 5756.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء .

خاتمة

الاستنتاج الرئيسي لهذه الدراسة هو أن السلوك الملحوظ للهياكل أثناء النمو يمكن أن يكون شائعًا في جميع أنواع الجليد ثنائي الأبعاد. يتكون الجليد السداسي ثنائي الطبقة على أسطح مسعورة مختلفة وتحت ظروف الحبس المسعور ؛ وبالتالي ، يمكن اعتباره بلورة ثنائية الأبعاد منفصلة (جليد ثنائي الأبعاد 1) ، يكون تكوينها غير حساس للبنية الأساسية للركيزة.

يقول العلماء بصدق أن تقنية التصور الخاصة بهم ليست مناسبة بعد للعمل مع الجليد ثلاثي الأبعاد ، ومع ذلك ، فإن نتائج دراسة الجليد ثنائي الأبعاد يمكن أن تكون بمثابة أساس لشرح عملية تكوين قريبه الحجمي. وبعبارة أخرى ، فإن فهم كيفية تشكيل الهياكل ثنائية الأبعاد هو أساس مهم لدراسة الهياكل ثلاثية الأبعاد. لهذا السبب ، يخطط الباحثون لتحسين منهجية في المستقبل.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين ولديكم أسبوع عمل جيد ، شباب. :)

قليلا من الإعلان :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك VPS المستندة إلى مجموعة النظراء للمطورين من 4.99 دولار ، وهو تمثيلي فريد من الخوادم على مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من 19 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟