खिड़की पर पैटर्न या मोटर चालकों की खराबी: दो आयामी बर्फ कैसे बढ़ती है

सभी जानते हैं कि जल एकत्रीकरण की तीन अवस्थाओं में होता है। हम केतली को डालते हैं, और पानी उबलने और वाष्पित होने लगता है, तरल से गैसीय में गुजरता है। हमने इसे फ्रीजर में रखा, और यह बर्फ में बदलना शुरू हो जाता है, जिससे एक तरल से एक ठोस अवस्था में गुजरता है। हालांकि, कुछ परिस्थितियों में, हवा में मौजूद जल वाष्प तरल चरण को दरकिनार कर तुरंत ठोस चरण में जा सकता है। हम इस प्रक्रिया से इसके परिणाम से परिचित हैं - एक ठंढा सर्दियों के दिन खिड़कियों पर सुंदर पैटर्न। मोटर चालक, एक विंडशील्ड से एक बर्फ की परत को स्क्रैप करते हुए, अक्सर इस प्रक्रिया को बहुत वैज्ञानिक नहीं, बल्कि बहुत भावनात्मक और ज्वलंत एपिसोड का उपयोग करके चिह्नित करते हैं। एक तरह से या किसी अन्य, कई वर्षों के लिए दो आयामी बर्फ के गठन का विवरण रहस्य के आवरण में था। और हाल ही में, वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम पहली बार अपने गठन की प्रक्रिया में दो आयामी बर्फ की परमाणु संरचना की कल्पना करने में सक्षम थी। इस सरल शारीरिक प्रक्रिया में कौन से रहस्य छिपे हैं, वैज्ञानिकों ने उन्हें कैसे खोजा और उनके निष्कर्ष कितने उपयोगी हैं? शोध समूह की रिपोर्ट हमें इस बारे में बताएगी। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

यदि आप अतिशयोक्ति करते हैं, तो वस्तुतः हमारे आस-पास की सभी वस्तुएं त्रि-आयामी हैं। हालांकि, यदि आप उनमें से कुछ को अधिक सावधानी से मानते हैं, तो आप दो-आयामी मिल सकते हैं। किसी चीज की सतह पर बनी बर्फ की परत मुख्य उदाहरण है। ऐसी संरचनाओं का अस्तित्व वैज्ञानिक समुदाय के लिए एक रहस्य नहीं है, क्योंकि उनका विश्लेषण कई बार पहले ही किया जा चुका है। लेकिन समस्या यह है कि 2 डी बर्फ के गठन में शामिल मेटास्टेबल या मध्यवर्ती संरचनाओं की कल्पना करना काफी मुश्किल है। यह सामान्य समस्याओं के कारण है - अध्ययन किए गए संरचनाओं की नाजुकता और नाजुकता।

सौभाग्य से, आधुनिक स्कैनिंग विधियां आपको उन पर न्यूनतम प्रभाव के साथ नमूनों का विश्लेषण करने की अनुमति देती हैं, जो आपको उपरोक्त कारणों से थोड़े समय में अधिकतम डेटा प्राप्त करने की अनुमति देता है। इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने गैर-संपर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया, जबकि माइक्रोस्कोप सुई की नोक कार्बन मोनोऑक्साइड (सीओ) के साथ लेपित थी। इन स्कैनिंग उपकरणों का संयोजन सोने की सतह (एयू) पर उगाए जाने वाले दो-आयामी दो-परत हेक्सागोनल बर्फ के किनारे संरचनाओं की वास्तविक समय की छवियों को प्राप्त करना संभव बनाता है।

माइक्रोस्कोपी ने दिखाया कि दो आयामी बर्फ के निर्माण की प्रक्रिया में, दो प्रकार के किनारों (बहुभुज के दो कोने को जोड़ने वाले खंड) इसकी संरचना में एक साथ सह-अस्तित्व: ज़िगज़ैग ( हाथ के आकार का ) और बांह के आकार ( आर्मर )।


एक उदाहरण के रूप में ग्राफीन का उपयोग करते हुए हाथ के आकार (बाएं) और ज़िगज़ैग (दाएं) पसलियों।

इस स्तर पर, नमूने जल्दी से जमे हुए थे, जिससे परमाणुओं की संरचना के बारे में विस्तार से जांच करना संभव हो गया। एक सिमुलेशन भी आयोजित किया गया था, जिसके परिणाम बड़े पैमाने पर टिप्पणियों के परिणामों के साथ मेल खाते थे।

यह पता चला था कि ज़िगज़ैग पसलियों के गठन के मामले में, मौजूदा पसलियों में एक अतिरिक्त पानी का अणु जोड़ा जाता है, और पूरी प्रक्रिया पुल गठन के तंत्र द्वारा विनियमित होती है। लेकिन हाथ के आकार की पसलियों के गठन के मामले में, अतिरिक्त अणु नहीं पाए गए, जो कि समग्र रूप से दो-परत हेक्सागोनल बर्फ और दो-आयामी हेक्सागोनल पदार्थों के विकास के बारे में पारंपरिक विचारों के साथ दृढ़ता से विपरीत है।

वैज्ञानिकों ने स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (STM) या एक ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (TEM) के बजाय अवलोकन के लिए एक गैर-संपर्क परमाणु बल माइक्रोस्कोप का चयन क्यों किया? जैसा कि हम पहले से ही जानते हैं, विकल्प दो-आयामी बर्फ की अल्पकालिक और नाजुक संरचनाओं का अध्ययन करने की जटिलता से जुड़ा हुआ है। एसटीएम का उपयोग पहले विभिन्न सतहों पर उगाए गए 2 डी बर्फ का अध्ययन करने के लिए किया गया था, हालांकि, इस प्रकार के माइक्रोस्कोप नाभिक की स्थिति के प्रति संवेदनशील नहीं हैं, और इसकी सुई दृश्यता में त्रुटियां पैदा कर सकती है। टीईएम, इसके विपरीत, पूरी तरह से पसलियों की परमाणु संरचना को दर्शाता है। हालांकि, उच्च-गुणवत्ता वाली छवियों को प्राप्त करने के लिए, उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों की आवश्यकता होती है, जो आसानी से बदल सकते हैं या दो-आयामी बर्फ में कमजोर बंधे किनारों का उल्लेख नहीं करने के लिए, सहसंयोजी रूप से बाध्य दो आयामी सामग्रियों को नष्ट कर सकते हैं।

एक परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी इस तरह की कमियों से रहित है, और सीओ के साथ लेपित एक सुई पानी के अणुओं पर न्यूनतम प्रभाव के साथ इंटरकैशियल पानी के अध्ययन की अनुमति देती है।

अनुसंधान के परिणाम

चित्र संख्या 1

एयू (111) की सतह पर लगभग 120 K के तापमान पर दो आयामी बर्फ उगाई गई थी और इसकी मोटाई 2.5) ( 1% ) थी।

बर्फ की एसटीएम छवियां ( 1 सी ) और तेजी से फूरियर ट्रांसफॉर्म ( 1 ए पर डालें) की संगत छवि एयू (111) -√3 x √3-30 ° आवधिकता के साथ एक अच्छी तरह से आदेशित हेक्सागोनल संरचना दिखाती है। यद्यपि STM छवि में 2 डी बर्फ का सेलुलर एच-लिंक्ड नेटवर्क दिखाई दे रहा है, किनारे संरचनाओं की विस्तृत टोपोलॉजी निर्धारित करना बहुत मुश्किल है। इस मामले में, नमूना के एक ही हिस्से के एक आवृत्ति पूर्वाग्रह (off) के साथ एएफएम ने बेहतर छवियां ( 1 डी ) प्राप्त की, जिससे संरचना के हाथ के आकार और ज़िगज़ैग वर्गों की कल्पना करना संभव हो गया। दोनों वेरिएंट की कुल लंबाई तुलनीय है, लेकिन पूर्ववर्ती रिब की औसत लंबाई थोड़ी बड़ी ( 1 बी ) है। ज़िगज़ैग पसलियां लंबाई में 60 s तक बढ़ सकती हैं, लेकिन बांह के आकार की पसलियों को गठन के दौरान दोषों से कवर किया जाता है, जिससे उनकी अधिकतम लंबाई 10-30 s तक कम हो जाती है।

इसके बाद, एक व्यवस्थित एएफएम विज़ुअलाइज़ेशन को विभिन्न सुई ऊंचाई ( 2 ए ) पर प्रदर्शन किया गया था।


चित्र संख्या 2

उच्चतम सुई ऊंचाई पर, जब एएफएम सिग्नल में एक उच्च क्रम का इलेक्ट्रोस्टैटिक बल प्रबल होता है, दो-आयामी दो-परत बर्फ में of3 x √3 उप-वर्गों के दो सेट प्रतिष्ठित किए गए थे, जिनमें से एक को 2a (बाएं) में दिखाया गया है।

कम सुई की ऊँचाई पर, इस उदात्तता के चमकीले तत्व दिशात्मकता दिखाने लगते हैं, और दूसरी उपशाखा वी-आकार के तत्व ( 2a , केंद्र में) में बदल जाती है।

एक न्यूनतम सुई ऊंचाई पर, एएफएम एक मधुकोश संरचना दिखाता है जिसमें एच बांड ( 2 ए , दाएं) से मिलते जुलते दो उपग्रहों को जोड़ते हुए स्पष्ट रेखाएं होती हैं।

घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का उपयोग करते हुए गणना से पता चलता है कि एयू (111) सतह पर उगाए गए दो-आयामी बर्फ पानी के दो समतल हेक्सागोनल परतों से मिलकर एक दो-परत बर्फ संरचना ( 2 सी ) से मेल खाते हैं। दो चादरों के हेक्सागोन्स संयोजन में हैं, और विमान में पानी के अणुओं के बीच का कोण 120 ° है।

पानी की प्रत्येक परत में, आधे पानी के अणु क्षैतिज (सब्सट्रेट के समानांतर) स्थित होते हैं, और दूसरे आधे - सब्सट्रेट के लंबवत (लंबवत), एक ओ - एच के साथ ऊपर या नीचे निर्देशित होते हैं। एक परत में लंबवत पानी की परत एक और परत में क्षैतिज पानी को एच-बांड देती है, जिससे पूरी तरह से संतृप्त एच-आकार की संरचना होती है।

उपरोक्त मॉडल के आधार पर एक चौगुनी (dz 2) सुई ( 2b ) का उपयोग करके AFM मॉडलिंग प्रयोगात्मक परिणामों ( 2a ) के साथ अच्छे समझौते में है। दुर्भाग्य से, क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर पानी की समान ऊंचाई एसटीएम इमेजिंग प्रक्रिया में उन्हें पहचानना मुश्किल बनाती है। हालांकि, परमाणु बल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करते समय, दोनों प्रकार के पानी के अणु स्पष्ट रूप से अलग-अलग होते हैं (दाईं ओर 2 ए और 2 बी ), चूंकि उच्च क्रम इलेक्ट्रोस्टैटिक बल पानी के अणुओं के उन्मुखीकरण के लिए बहुत संवेदनशील है।

उच्चतर आदेश इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों और पाउली प्रतिकर्षण बलों के बीच बातचीत के माध्यम से क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर पानी की प्रत्यक्षता ओह को और अधिक निर्धारित करना भी संभव था, जो 2 ए और 2 बी (केंद्र में) में लाल रेखाओं द्वारा दिखाया गया है।


चित्र संख्या 3

छवियाँ 3 ए और 3 बी (चरण 1) क्रमशः ज़िगज़ैग और हाथ के आकार की पसलियों की बढ़ी हुई एएफएम छवियां दिखाती हैं। यह पाया गया कि ज़िगज़ैग रिब अपनी मूल संरचना के संरक्षण के साथ बढ़ता है, और एक हाथ के आकार के एक के विकास के साथ, रिब को 5756 रिंगों की आवधिक संरचना में पुनर्स्थापित किया जाता है, अर्थात। जब पसलियों की संरचना समय-समय पर अनुक्रम पेंटागन को दोहराती है - हेप्टागन - पेंटागन - हेक्सागोन।

घनत्व कार्यात्मक के सिद्धांत का उपयोग करते हुए गणना से पता चलता है कि अपरिवर्तित ज़िगज़ैग रिब और 5756 प्रकार की आर्मचेयर के आकार की रिब सबसे स्थिर हैं। 5756 रिब संयुक्त प्रभावों के परिणामस्वरूप बनता है जो असंतृप्त हाइड्रोजन बांड की मात्रा को कम करता है और तनाव ऊर्जा को कम करता है।

वैज्ञानिक याद करते हैं कि हेक्सागोनल बर्फ के बेसल प्लेन आमतौर पर ज़िगज़ैग पसलियों में समाप्त होते हैं, और आर्मचेयर पसलियां असंतृप्त हाइड्रोजन बॉन्ड के उच्च घनत्व के कारण अनुपस्थित हैं। हालांकि, छोटी प्रणालियों या सीमित स्थानों में, हाथ के आकार की पसलियों को उचित पुनर्निर्माण के माध्यम से उनकी ऊर्जा को कम किया जा सकता है।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, जब 120 K के तापमान पर बर्फ के विकास को रोक दिया गया था, मेटास्टेबल या संक्रमण रिब संरचनाओं को फ्रीज करने और एसटीएम और एएफएम का उपयोग करके अपने विस्तृत अध्ययन के लिए अपेक्षाकृत लंबा नमूना जीवन प्रदान करने के लिए नमूना को तुरंत 5 K तक ठंडा कर दिया गया था। दो-आयामी बर्फ विकास प्रक्रिया (छवि संख्या 3) को सीओ-फंक्शनल माइक्रोस्कोप सुई के लिए धन्यवाद भी पुनर्निर्माण किया गया, जिससे मेटास्टेबल और संक्रमण संरचनाओं का पता लगाना संभव हो गया।

ज़िगज़ैग पसलियों के मामले में, सीधे किनारों से जुड़े व्यक्तिगत पेंटागन कभी-कभी पाए जाते थे। वे पंक्तिबद्ध हो सकते हैं, 2 x _बर्फ की आवृत्ति के साथ एक सरणी बना सकते हैं ( और _बर्फ दो आयामी बर्फ की जाली स्थिर है)। यह अवलोकन संकेत दे सकता है कि ज़िगज़ैग पसलियों का विकास पेंटागोन ( 3 ए , चरण 1-3) के आवधिक सरणी के गठन से शुरू होता है, जिसमें पेंटागन (लाल तीर) के लिए दो पानी के जोड़े शामिल हैं।

अगला, पेंटागन सरणी एक 56665 प्रकार की संरचना ( 3 ए , चरण 4) बनाने के लिए जुड़ती है, और फिर अधिक जल वाष्प जोड़कर मूल ज़िगज़ैग उपस्थिति को पुनर्स्थापित करता है।

हाथ के आकार की पसलियों के साथ, स्थिति विपरीत है - कोई पेंटागन सरणियां नहीं हैं, और इसके बजाय, रिब पर 5656 प्रकार के छोटे अंतराल अक्सर देखे जाते हैं। प्रकार 5656 रिब की लंबाई 5756 की तुलना में काफी कम है। यह शायद इस तथ्य के कारण है कि टाइप करें 5656 रिब अत्यधिक जोर दिया है और 5756 की तुलना में कम स्थिर है। आर्म-शेप रिब टाइप 5756 से शुरू होता है, 575 रिंग्स स्थानीय रूप से टाइप करके 656 रिंग्स में बदल जाती हैं। जल वाष्प ( 3 बी , चरण 2)। अगला, 656 छल्ले अनुप्रस्थ दिशा में बढ़ते हैं, जो टाइप 5656 ( 3 बी , चरण 3) के किनारे का निर्माण करते हैं, लेकिन तनाव ऊर्जा के संचय के कारण सीमित लंबाई के साथ।

यदि एक पानी की जोड़ी को 5656 प्रकार की पसली के षट्भुज में जोड़ा जाता है, तो विरूपण आंशिक रूप से कमजोर हो सकता है, और यह फिर से प्रकार 5756 ( 3 बी , चरण 4) के रिब के गठन की ओर ले जाएगा।

उपरोक्त परिणाम बहुत संकेत हैं, लेकिन यह एयू (111) की सतह पर जल वाष्प की आणविक गतिशीलता गणना से प्राप्त अतिरिक्त डेटा के साथ उनका समर्थन करने का निर्णय लिया गया था।

यह पाया गया कि दो-आयामी दो-परत वाले बर्फ द्वीप सफलतापूर्वक और स्वतंत्र रूप से सतह पर बनते हैं, जो हमारी प्रयोगात्मक टिप्पणियों के अनुरूप है।


चित्र संख्या 4

चित्रा 4 ए चरणों में दिखाता है कि जिगजैग पसलियों पर पुलों के सामूहिक गठन के लिए तंत्र।

नीचे एक विवरण के साथ इस अध्ययन के लिए मीडिया सामग्री हैं।


यह ध्यान देने योग्य है कि ज़िगज़ैग रिब से जुड़ा एक पेंटागन स्थानीय न्यूक्लिएशन केंद्र के रूप में कार्य नहीं कर सकता है जो विकास को बढ़ावा देता है।


इसके बजाय, पैंटागों का एक आवधिक लेकिन असंबद्ध नेटवर्क शुरू में ज़िगज़ैग रिब पर बनता है, और बाद में आने वाले पानी के अणु सामूहिक रूप से इन पेंटागन को जोड़ने की कोशिश करते हैं, जिससे टाइप 565 श्रृंखला की संरचना बनती है। दुर्भाग्य से, ऐसी संरचना व्यावहारिक टिप्पणियों के दौरान नहीं देखी गई थी, जिसे समझाया गया है। उसका अत्यंत अल्प जीवन काल।


एक जोड़ी पानी जोड़ने से टाइप ५६० और उससे सटे पंचकोण की संरचना जुड़ जाती है, जिससे टाइप ६६६६ की संरचना बन जाती है।

टाइप 5666 की संरचना अनुप्रस्थ दिशा में बढ़ती है, जो टाइप 56665 की संरचना बनाती है और अंत में पूरी तरह से जुड़े हेक्सागोनल जाली में बदल जाती है।


चित्रा 4 बी हाथ के आकार की पसली के मामले में वृद्धि दर्शाता है। 5756 रिंग्स टाइप करने के लिए टाइप करने वाली 575 रिंग्स से रूपांतरण नीचे की परत से शुरू होता है, एक समग्र संरचना 575/656 बनाता है, जिसे प्रयोगों में टाइप 5756 रिब से अलग नहीं किया जा सकता है, क्योंकि प्रयोगों के दौरान केवल दो-परत बर्फ की शीर्ष परत प्रदर्शित की जा सकती है।


परिणामी पुल 656 टाइप 5656 रिब के विकास के लिए न्यूक्लिएशन सेंटर बन जाता है।


5656 प्रकार की पसली में एक पानी के अणु के अलावा अणु की एक बहुत ही मोबाइल अप्रकाशित संरचना होती है।


इनमें से दो अप्रकाशित पानी के अणु बाद में 5656 से 5756 में रूपांतरण को पूरा करते हुए अधिक स्थिर हेपटागोनल संरचना में संयोजित हो सकते हैं।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट देखें ।

उपसंहार

इस अध्ययन का मुख्य निष्कर्ष यह है कि वृद्धि के दौरान संरचनाओं का अवलोकन व्यवहार सभी प्रकार के दो आयामी बर्फ के लिए सामान्य हो सकता है। दो-परत हेक्सागोनल बर्फ विभिन्न हाइड्रोफोबिक सतहों पर और हाइड्रोफोबिक कारावास की स्थिति के तहत बनता है, और इसलिए इसे एक अलग 2 डी क्रिस्टल (2 डी बर्फ I) के रूप में माना जा सकता है, जिसका गठन सब्सट्रेट की मूल संरचना के लिए असंवेदनशील है।

वैज्ञानिक ईमानदारी से कहते हैं कि उनकी विज़ुअलाइज़ेशन तकनीक अभी तक तीन-आयामी बर्फ के साथ काम करने के लिए उपयुक्त नहीं है, हालांकि, दो-आयामी बर्फ का अध्ययन करने के परिणाम इसके स्वैच्छिक रिश्तेदार के गठन की प्रक्रिया को समझाने के लिए एक आधार के रूप में काम कर सकते हैं। दूसरे शब्दों में, द्वि-आयामी संरचनाएं कैसे बनती हैं, इसकी समझ तीन-आयामी लोगों के अध्ययन के लिए एक महत्वपूर्ण आधार है। इस कारण से, शोधकर्ता भविष्य में अपनी कार्यप्रणाली में सुधार करने की योजना बना रहे हैं।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों। :)

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