Motifs sur la fenêtre ou le fléau des automobilistes: comment la glace en deux dimensions se développe

Tout le monde sait que l'eau se produit dans trois états d'agrégation. Nous mettons la bouilloire en marche et l'eau commence à bouillir et à s'évaporer, passant du liquide au gazeux. Nous le mettons au congélateur, et il commence à se transformer en glace, passant ainsi d'un liquide à un état solide. Cependant, dans certaines circonstances, la vapeur d'eau présente dans l'air peut immédiatement entrer dans la phase solide, contournant la phase liquide. Nous connaissons ce processus par son résultat - de beaux motifs sur les fenêtres un jour d'hiver glacial. Les automobilistes, tout en grattant une couche de glace d'un pare-brise, caractérisent souvent ce processus en utilisant des épithètes peu scientifiques, mais très émotionnelles et vives. D'une manière ou d'une autre, les détails de la formation de glace en deux dimensions pendant de nombreuses années étaient sous le couvert du mystère. Et récemment, une équipe internationale de scientifiques a pour la première fois pu visualiser la structure atomique de la glace bidimensionnelle en cours de formation. Quels secrets sont cachés dans ce processus physique apparemment simple, comment les scientifiques les ont-ils découverts et quelle est l'utilité de leurs découvertes? Le rapport du groupe de recherche nous en parlera. Allons-y.

Base d'étude

Si vous exagérez, pratiquement tous les objets qui nous entourent sont en trois dimensions. Cependant, si vous en considérez certains plus méticuleusement, vous pouvez vous rencontrer en deux dimensions. Une croûte de glace formée à la surface de quelque chose en est un excellent exemple. L'existence de telles structures n'est pas un secret pour la communauté scientifique, car elles ont déjà été analysées à plusieurs reprises. Mais le problème est qu'il est assez difficile de visualiser des structures métastables ou intermédiaires impliquées dans la formation de glace 2D. Cela est dû à des problèmes courants - la fragilité et la fragilité des structures étudiées.

Heureusement, les méthodes de numérisation modernes vous permettent d'analyser des échantillons avec un impact minimal sur eux, ce qui vous permet d'obtenir le maximum de données dans un court laps de temps, pour les raisons ci-dessus. Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé la microscopie à force atomique sans contact, tandis que la pointe de l'aiguille du microscope était recouverte de monoxyde de carbone (CO). La combinaison de ces outils de balayage permet d'obtenir des images en temps réel des structures de bord de glace hexagonale bidimensionnelle à deux couches qui se développent à la surface de l'or (Au).

La microscopie a montré que dans le processus de formation de glace bidimensionnelle, deux types de bords (segments reliant les deux sommets du polygone) coexistent simultanément dans sa structure: zigzag (en forme de bras) et en forme de bras ( fauteuil ).


Côtes en forme de bras (gauche) et en zigzag (droite) en utilisant le graphène comme exemple.

A ce stade, les échantillons ont été rapidement congelés, ce qui a permis d'examiner en détail la structure des atomes. Une simulation a également été réalisée, dont les résultats coïncidaient largement avec les résultats des observations.

Il a été révélé que dans le cas de la formation de nervures en zigzag, une molécule d'eau supplémentaire est ajoutée à la nervure existante, et l'ensemble du processus est régulé par le mécanisme de formation de pont. Mais dans le cas de la formation de côtes en forme de bras, aucune molécule supplémentaire n'a été trouvée, ce qui contraste fortement avec les idées traditionnelles sur la croissance de la glace hexagonale à deux couches et des substances hexagonales bidimensionnelles dans leur ensemble.

Pourquoi les scientifiques ont-ils choisi un microscope à force atomique sans contact pour l'observation plutôt qu'un microscope à effet tunnel (STM) ou un microscope électronique à transmission (TEM)? Comme nous le savons déjà, le choix est lié à la complexité de l'étude des structures éphémères et fragiles de la glace bidimensionnelle. STM était auparavant utilisé pour étudier la glace 2D cultivée sur différentes surfaces, cependant, ce type de microscope n'est pas sensible à la position des noyaux, et son aiguille peut provoquer des erreurs de visualisation. TEM, au contraire, montre parfaitement la structure atomique des côtes. Cependant, pour obtenir des images de haute qualité, des électrons de haute énergie sont nécessaires, qui peuvent facilement changer ou même détruire la structure des bords des matériaux bidimensionnels liés par covalence, sans parler des bords liés plus faibles dans la glace bidimensionnelle.

Un microscope à force atomique est dépourvu de tels inconvénients, et une aiguille recouverte de CO permet l'étude de l'eau interfaciale avec un effet minimal sur les molécules d'eau.

Résultats de recherche

Image n ° 1

De la glace bidimensionnelle a été cultivée à la surface d'Au (111) à une température d'environ 120 K, et son épaisseur était de 2,5 Å ( 1a ).

Les images STM de la glace ( 1c ) et l'image correspondante de la transformée de Fourier rapide (insert sur 1a ) montrent une structure hexagonale bien ordonnée avec une périodicité Au (111) -√3 x √3-30 °. Bien que le réseau cellulaire lié à H de glace 2D soit visible dans l'image STM, la topologie détaillée des structures de bord est très difficile à déterminer. Dans ce cas, l'AFM avec un biais de fréquence (Δf) de la même partie de l'échantillon a donné de meilleures images ( 1d ), ce qui a permis de visualiser les sections en forme de bras et en zigzag de la structure. La longueur totale des deux variantes est comparable, mais la longueur moyenne de la nervure précédente est légèrement plus grande ( 1b ). Les côtes en zigzag peuvent atteindre jusqu'à 60 Å de longueur, mais les côtes en forme de bras sont couvertes de défauts pendant la formation, ce qui réduit leur longueur maximale à 10-30 Å.

Ensuite, une visualisation AFM systématique a été réalisée à différentes hauteurs d'aiguille ( 2a ).


Image n ° 2

À la hauteur d'aiguille la plus élevée, lorsqu'une force électrostatique d'ordre supérieur règne dans le signal AFM, deux ensembles de sous-réseaux √3 x √3 dans de la glace bidimensionnelle à deux couches ont été sélectionnés, dont l'un est illustré en 2a (à gauche).

À une hauteur d'aiguille inférieure, les éléments brillants de ce sous-réseau commencent à montrer une directionnalité, et l'autre sous-réseau se transforme en un élément en forme de V ( 2a , au centre).

À une hauteur d'aiguille minimale, l'AFM montre une structure en nid d'abeille avec des lignes claires reliant deux sous-réseaux ressemblant à des liaisons H ( 2a , à droite).

Les calculs utilisant la théorie fonctionnelle de la densité montrent que la glace bidimensionnelle cultivée sur une surface d'Au (111) correspond à une structure de glace à deux couches cohésive ( 2c ) constituée de deux couches d'eau hexagonales plates. Les hexagones des deux feuilles sont en conjonction, et l'angle entre les molécules d'eau dans le plan est de 120 °.

Dans chaque couche d'eau, la moitié des molécules d'eau se trouvent à l'horizontale (parallèle au substrat) et l'autre moitié à la verticale (perpendiculaire au substrat), avec un O-H dirigé vers le haut ou vers le bas. L'eau couchée verticalement dans une couche donne la liaison H à l'eau horizontale dans une autre couche, conduisant à une structure en forme de H entièrement saturée.

La modélisation AFM utilisant une aiguille quadripolaire (dz 2) ( 2b ) basée sur le modèle ci-dessus est en bon accord avec les résultats expérimentaux ( 2a ). Malheureusement, la hauteur similaire de l'eau horizontale et verticale rend difficile leur identification dans le processus d'imagerie STM. Cependant, lors de l'utilisation de la microscopie à force atomique, les molécules des deux types d'eau sont clairement distinguables ( 2a et 2b à droite), car une force électrostatique d'ordre supérieur est très sensible à l'orientation des molécules d'eau.

Il a également été possible de déterminer en plus la directivité OH des eaux horizontales et verticales grâce à l'interaction entre les forces électrostatiques d'ordre supérieur et les forces de répulsion de Pauli, ce qui est illustré par les lignes rouges en 2a et 2b (au centre).


Image n ° 3

Les images 3a et 3b (étape 1) montrent des images AFM agrandies de côtes en zigzag et en forme de bras, respectivement. Il a été constaté que la nervure en zigzag se développe avec la préservation de sa structure d'origine, et avec la croissance d'une forme de bras, la nervure est restaurée dans la structure périodique de 5756 anneaux, c'est-à-dire lorsque la structure des côtes répète périodiquement la séquence pentagone - heptagone - pentagone - hexagone.

Les calculs utilisant la théorie de la densité fonctionnelle montrent que la nervure en zigzag non reconstruite et la nervure en forme de fauteuil de type 5756 sont les plus stables. La nervure 5756 est formée à la suite d'effets combinés qui minimisent la quantité de liaisons hydrogène insaturées et réduisent l'énergie de déformation.

Les scientifiques se souviennent que les plans basaux de la glace hexagonale se terminent généralement par des côtes en zigzag et que les côtes du fauteuil sont absentes en raison de la densité plus élevée des liaisons hydrogène insaturées. Cependant, dans les petits systèmes ou dans les espaces confinés, les nervures en forme de bras peuvent réduire leur énergie grâce à une reconstruction appropriée.

Comme mentionné précédemment, lorsque la croissance de la glace à une température de 120 K a été arrêtée, l'échantillon a immédiatement été refroidi à 5 K afin d'essayer de geler les structures de côtes métastables ou de transition et fournir une durée de vie relativement longue pour une étude détaillée à l'aide de STM et AFM. Le processus de croissance de la glace en deux dimensions (image n ° 3) a également été reconstruit grâce à l'aiguille de microscope fonctionnalisée CO, qui a permis de détecter les structures métastables et de transition.

Dans le cas des côtes en zigzag, des pentagones individuels attachés à des bords droits ont parfois été trouvés. Ils pourraient s'aligner, formant un réseau avec une fréquence de 2 x une _glace ( et la _glace est la constante de réseau de la glace bidimensionnelle). Cette observation peut indiquer que la croissance des côtes en zigzag est initiée par la formation d'un réseau périodique de pentagones ( 3a , stade 1-3), qui comprend l'ajout de deux paires d'eau pour le pentagone (flèches rouges).

Ensuite, le réseau de pentagones se joint pour former une structure de type 56665 ( 3a , étape 4), puis restaure l'apparence en zigzag d'origine, ajoutant plus de vapeur d'eau.

Avec les nervures en forme de bras, la situation est inverse - il n'y a pas de réseaux de pentagones, et à la place, de courts écarts du type 5656 sur la nervure sont souvent observés. La longueur de la nervure de type 5656 est beaucoup plus courte que celle de la 5756. Cela est probablement dû au fait que la nervure de type 5656 est très tendue et moins stable que la 5756. À partir de la nervure en forme de bras de type 5756, les 575 anneaux sont localement convertis en anneaux de type 656 en ajoutant deux vapeur d'eau ( 3b , étape 2). Ensuite, 656 anneaux se développent dans la direction transversale, formant un bord de type 5656 ( 3b , étape 3), mais avec une longueur limitée en raison de l'accumulation d'énergie de déformation.

Si une paire d'eau est ajoutée à l'hexagone d'une nervure de type 5656, alors la déformation peut être partiellement affaiblie, ce qui entraînera à nouveau la formation d'une nervure de type 5756 ( 3b , étape 4).

Les résultats ci-dessus sont très indicatifs, mais il a été décidé de les étayer avec des données supplémentaires obtenues à partir des calculs de dynamique moléculaire de la vapeur d'eau à la surface d'Au (111).

Il a été constaté que des îlots de glace bidimensionnels à deux couches se forment avec succès et librement à la surface, ce qui est conforme à nos observations expérimentales.


Image n ° 4

La figure 4a montre par étapes le mécanisme de formation collective des ponts sur les nervures en zigzag.

Vous trouverez ci-dessous le matériel médiatique de cette étude avec une description.


Il convient de noter qu'un pentagone attaché à une nervure en zigzag ne peut pas agir comme un centre de nucléation local qui favorise la croissance.


Au lieu de cela, un réseau périodique mais non connecté de pentagones est initialement formé sur la nervure en zigzag, et les molécules d'eau entrantes suivantes tentent collectivement de connecter ces pentagones, ce qui conduit à la formation d'une structure de chaînes de type 565. Malheureusement, une telle structure n'a pas été observée lors des observations pratiques, ce qui s'explique par sa durée de vie extrêmement courte.


L'ajout d'une paire d'eau relie la structure de type 565 et le pentagone adjacent, ce qui conduit à la formation de structure de type 5666.

Une structure de type 5666 croît dans la direction transversale, formant une structure de type 56665 et finit par se transformer en un réseau hexagonal entièrement connecté.


La figure 4b montre la croissance dans le cas d'une côte en forme de bras. La conversion des anneaux de type 575 en anneaux de type 656 commence à partir de la couche inférieure, formant une structure composite 575/656, qui ne peut pas être distinguée de la côte de type 5756 dans les expériences, car seule la couche supérieure de glace à deux couches peut être affichée pendant les expériences.


Le pont 656 résultant devient le centre de nucléation pour la croissance de la nervure de type 5656.


L'ajout d'une molécule d'eau à une nervure de type 5656 conduit à une structure non appariée très mobile de la molécule.


Deux de ces molécules d'eau non appariées peuvent ensuite se combiner en une structure heptagonale plus stable, complétant la conversion de 5656 à 5756.

Pour une familiarisation plus détaillée avec les nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue

La principale conclusion de cette étude est que le comportement observé des structures pendant la croissance peut être commun à tous les types de glace bidimensionnelle. De la glace hexagonale à deux couches est formée sur diverses surfaces hydrophobes et dans des conditions de confinement hydrophobe, et peut donc être considérée comme un cristal 2D séparé (glace 2D I), dont la formation est insensible à la structure de base du substrat.

Les scientifiques disent honnêtement que leur technique de visualisation n'est pas encore adaptée pour travailler avec de la glace tridimensionnelle, cependant, les résultats de l'étude de la glace bidimensionnelle peuvent servir de base pour expliquer le processus de formation de son relatif volumétrique. En d'autres termes, une compréhension de la façon dont les structures bidimensionnelles sont formées est une base importante pour l'étude des structures tridimensionnelles. Pour cette raison, les chercheurs prévoient d'améliorer leur méthodologie à l'avenir.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars. :)

Un peu de publicité :)

Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en recommandant à vos amis des VPS basés sur le cloud pour les développeurs à partir de 4,99 $ , un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventés pour vous: Toute la vérité sur les VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 cœurs) 10 Go DDR4 480 Go SSD 1 Gbit / s à partir de 19 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher au centre de données Equinix Tier IV à Amsterdam? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99 $! Pour en savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure classe utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?