Pola di jendela atau momok pengendara: bagaimana es dua dimensi tumbuh

Semua orang tahu bahwa air terjadi dalam tiga keadaan agregasi. Kami menaruh ketel, dan air mulai mendidih dan menguap, beralih dari cairan ke gas. Kami memasukkannya ke dalam freezer, dan mulai berubah menjadi es, dengan demikian beralih dari cairan ke keadaan padat. Namun, dalam keadaan tertentu, uap air yang ada di udara dapat langsung masuk ke fase padat, melewati fase cair. Kami akrab dengan proses ini dengan hasilnya - pola yang indah di jendela pada hari musim dingin yang beku. Pengendara motor, sambil menggores lapisan es dari kaca depan, sering kali mencirikan proses ini menggunakan julukan yang tidak terlalu ilmiah, tetapi sangat emosional dan jelas. Entah bagaimana, detail pembentukan es dua dimensi selama bertahun-tahun berada di bawah penutup misteri. Dan baru-baru ini, tim ilmuwan internasional untuk pertama kalinya dapat memvisualisasikan struktur atom es dua dimensi dalam proses pembentukannya. Rahasia apa yang disembunyikan dalam proses fisik yang tampaknya sederhana ini, bagaimana para ilmuwan menemukan mereka dan seberapa berguna temuan mereka? Laporan kelompok riset akan memberi tahu kami tentang hal ini. Ayo pergi.

Dasar studi

Jika Anda melebih-lebihkan, maka sebenarnya semua benda di sekitar kita adalah tiga dimensi. Namun, jika Anda mempertimbangkan beberapa dari mereka lebih cermat, maka Anda bisa bertemu dua dimensi. Kerak es yang terbentuk di permukaan sesuatu adalah contoh utama. Keberadaan struktur semacam itu bukanlah rahasia bagi komunitas ilmiah, karena mereka telah dianalisis berkali-kali. Tetapi masalahnya adalah cukup sulit untuk memvisualisasikan struktur metastabil atau menengah yang terlibat dalam pembentukan es 2D. Ini karena masalah biasa - kerapuhan dan kerapuhan struktur yang dipelajari.

Untungnya, metode pemindaian modern memungkinkan Anda untuk menganalisis sampel dengan dampak minimal pada mereka, yang memungkinkan Anda untuk mendapatkan data maksimum dalam waktu singkat, karena alasan di atas. Dalam studi ini, para ilmuwan menggunakan mikroskop gaya atom non-kontak, sedangkan ujung jarum mikroskop dilapisi dengan karbon monoksida (CO). Kombinasi dari alat-alat pemindaian ini memungkinkan untuk mendapatkan gambar real-time dari struktur tepi es dua-heksagonal dua-dimensi yang ditanam di permukaan emas (Au).

Mikroskopi menunjukkan bahwa dalam proses pembentukan es dua dimensi, dua jenis tepi (segmen yang menghubungkan dua simpul poligon) hidup berdampingan secara simultan dalam strukturnya: zigzag ( berbentuk lengan) dan berbentuk lengan ( kursi berlengan ).


Iga berbentuk lengan (kiri) dan zigzag (kanan) menggunakan graphene sebagai contoh.

Pada tahap ini, sampel dibekukan dengan cepat, yang memungkinkan untuk memeriksa secara detail struktur atom. Simulasi juga dilakukan, hasil yang sebagian besar bertepatan dengan hasil pengamatan.

Terungkap bahwa dalam kasus pembentukan tulang rusuk zigzag, molekul air tambahan ditambahkan ke tulang rusuk yang ada, dan seluruh proses diatur oleh mekanisme pembentukan jembatan. Tetapi dalam kasus pembentukan tulang rusuk berbentuk lengan, molekul tambahan tidak ditemukan, yang sangat kontras dengan gagasan tradisional tentang pertumbuhan es heksagonal dua lapis dan zat heksagonal dua dimensi secara keseluruhan.

Mengapa para ilmuwan memilih mikroskop gaya atom non-kontak untuk observasi daripada mikroskop tunneling pemindaian (STM) atau mikroskop elektron transmisi (TEM)? Seperti yang telah kita ketahui, pilihan itu dihubungkan dengan kompleksitas mempelajari struktur es dua dimensi yang berumur pendek dan rapuh. STM sebelumnya digunakan untuk mempelajari es 2D yang ditanam pada berbagai permukaan, namun, jenis mikroskop ini tidak sensitif terhadap posisi inti, dan jarumnya dapat menyebabkan kesalahan dalam visualisasi. Sebaliknya, TEM dengan sempurna menunjukkan struktur atomik tulang rusuk. Namun, untuk mendapatkan gambar berkualitas tinggi, elektron berenergi tinggi diperlukan, yang dapat dengan mudah mengubah atau bahkan menghancurkan struktur tepi material dua dimensi yang terikat secara kovalen, belum lagi tepi ikatan yang lebih lemah dalam es dua dimensi.

Mikroskop kekuatan atom sama sekali tidak memiliki kelemahan seperti itu, dan jarum yang dilapisi dengan CO memungkinkan penelitian air antar muka dengan efek minimal pada molekul air.

Hasil penelitian

Gambar No. 1

Es dua dimensi ditanam di permukaan Au (111) pada suhu sekitar 120 K, dan ketebalannya 2,5 Å ( 1a ).

Gambar STM es ( 1c ) dan gambar yang sesuai dari transformasi Fourier cepat (inset dalam 1a ) menunjukkan struktur heksagonal yang tertata dengan baik dengan Au (111) -√3 x √3-30 ° periodisitas. Meskipun jaringan seluler H-linked dari es 2D terlihat pada gambar STM, topologi terperinci dari struktur tepi sangat sulit untuk ditentukan. Dalam hal ini, AFM dengan bias frekuensi (Δf) dari bagian sampel yang sama menghasilkan gambar yang lebih baik ( 1d ), yang memungkinkan untuk memvisualisasikan bagian lengan dan zig-zag struktur. Panjang total kedua varian sebanding, tetapi panjang rata-rata iga pendahulu sedikit lebih besar ( 1b ). Tulang zigzag dapat tumbuh hingga 60 Å panjangnya, tetapi tulang rusuk berbentuk lengan ditutupi dengan cacat selama pembentukan, yang mengurangi panjang maksimumnya menjadi 10-30 Å.

Selanjutnya, visualisasi AFM sistematis dilakukan pada ketinggian jarum yang berbeda ( 2a ).


Gambar No. 2

Pada ketinggian jarum tertinggi, ketika gaya elektrostatik tingkat tinggi berlaku pada sinyal AFM, dua set sublattika x3 x √3 dalam es dua-lapis dua dimensi dipilih, salah satunya ditunjukkan dalam 2a (kiri).

Pada ketinggian jarum yang lebih rendah, elemen-elemen cerah dari subkisi ini mulai menunjukkan arah, dan subkisi lainnya berubah menjadi elemen berbentuk-V ( 2a , di tengah).

Pada ketinggian jarum minimum, AFM menunjukkan struktur sarang lebah dengan garis yang jelas yang menghubungkan dua sublattis yang menyerupai ikatan H ( 2a , kanan).

Perhitungan menggunakan teori kerapatan fungsional menunjukkan bahwa es dua dimensi yang tumbuh pada permukaan Au (111) sesuai dengan struktur es dua lapis kohesif ( 2c ) yang terdiri dari dua lapisan air heksagonal datar. Segi enam dari dua lembar itu bersamaan, dan sudut antara molekul-molekul air dalam bidang adalah 120 °.

Di setiap lapisan air, setengah dari molekul air terletak secara horizontal (sejajar dengan substrat), dan setengah lainnya secara vertikal (tegak lurus terhadap substrat), dengan satu O - H diarahkan ke atas atau ke bawah. Air yang tergeletak secara vertikal dalam satu lapisan memberikan ikatan-H dengan air horizontal pada lapisan lain, yang mengarah ke struktur berbentuk-H yang sepenuhnya jenuh.

Pemodelan AFM menggunakan jarum quadrupole (dz 2) ( 2b ) berdasarkan model di atas sesuai dengan hasil eksperimen ( 2a ). Sayangnya, ketinggian yang sama dari air horizontal dan vertikal membuatnya sulit untuk mengidentifikasi mereka dalam proses pencitraan STM. Namun, ketika menggunakan mikroskop kekuatan atom, molekul kedua jenis air dapat dibedakan dengan jelas ( 2a dan 2b di sebelah kanan), karena gaya elektrostatik tingkat tinggi sangat sensitif terhadap orientasi molekul air.

Juga dimungkinkan untuk menentukan lebih lanjut directivity OH air horizontal dan vertikal melalui interaksi antara gaya elektrostatik orde tinggi dan gaya tolak Pauli, yang ditunjukkan oleh garis merah di 2a dan 2b (di tengah).


Gambar No. 3

Gambar 3a dan 3b (langkah 1) masing-masing menunjukkan gambar AFM zigzag dan tulang rusuk yang diperbesar. Ditemukan bahwa tulang rusuk zigzag tumbuh dengan pelestarian struktur aslinya, dan dengan pertumbuhan yang berbentuk lengan, tulang rusuk dipulihkan dalam struktur berkala 5756 cincin, mis. ketika struktur tulang rusuk mengulangi urutan pentagon - heptagon - pentagon - hexagon.

Perhitungan menggunakan teori kerapatan fungsional menunjukkan bahwa tulang rusuk zigzag yang tidak direkonstruksi dan tulang rusuk berbentuk lengan tipe 5756 adalah yang paling stabil. Rusuk 5756 terbentuk sebagai hasil dari efek gabungan yang meminimalkan jumlah ikatan hidrogen tak jenuh dan mengurangi energi regangan.

Para ilmuwan ingat bahwa bidang dasar es heksagonal biasanya berakhir di tulang rusuk zigzag, dan tulang rusuk kursi tidak ada karena kepadatan ikatan hidrogen tak jenuh yang lebih tinggi. Namun, dalam sistem kecil atau di ruang terbatas, tulang rusuk berbentuk lengan dapat mengurangi energi mereka melalui rekonstruksi yang tepat.

Seperti yang disebutkan sebelumnya, ketika pertumbuhan es pada suhu 120 K dihentikan, sampel segera didinginkan hingga 5 K untuk mencoba membekukan struktur tulang rusuk yang dapat metastabil atau transisi dan memberikan umur sampel yang relatif panjang untuk studi terperinci menggunakan STM dan AFM. Proses pertumbuhan es dua dimensi (gambar no. 3) juga direkonstruksi berkat jarum mikroskopis yang difungsikan-CO, yang memungkinkan untuk mendeteksi struktur transisi dan metastabil.

Dalam kasus tulang rusuk zig-zag, kadang-kadang pentagon yang melekat pada tepi lurus kadang-kadang ditemukan. Mereka dapat berbaris, membentuk sebuah array dengan frekuensi 2 x _es ( dan _es adalah konstanta kisi es dua dimensi). Pengamatan ini dapat menunjukkan bahwa pertumbuhan tulang rusuk zig-zag diawali oleh pembentukan susunan pentagon secara periodik ( 3a , tahap 1-3), yang mencakup penambahan dua pasang air untuk pentagon (panah merah).

Selanjutnya, array pentagon bergabung untuk membentuk struktur tipe 56665 ( 3a , langkah 4), dan kemudian mengembalikan tampilan zigzag asli, menambahkan lebih banyak uap air.

Dengan tulang rusuk berbentuk lengan, situasinya sebaliknya - tidak ada susunan pentagon, dan sebagai gantinya, celah pendek dari tipe 5656 pada tulang rusuk sering diamati. Panjang tulang rusuk tipe 5656 jauh lebih pendek daripada tulang rangking 5756. Ini mungkin disebabkan oleh kenyataan bahwa tulang rusuk tipe 5656 sangat tegang dan kurang stabil dibandingkan 5756. Mulai dari tulang rusuk lengan tipe 5756, 575 cincin dikonversi secara lokal ke jenis 656 cincin dengan menambahkan dua uap air ( 3b , langkah 2). Selanjutnya, 656 cincin tumbuh ke arah melintang, membentuk tepi tipe 5656 ( 3b , langkah 3), tetapi dengan panjang terbatas karena akumulasi energi regangan.

Jika satu pasangan air ditambahkan ke segi enam dari tulang rusuk tipe 5656, maka deformasi dapat melemah sebagian, dan ini lagi akan mengarah pada pembentukan tulang rusuk tipe 5756 ( 3b , langkah 4).

Hasil di atas sangat indikatif, tetapi diputuskan untuk mendukung mereka dengan data tambahan yang diperoleh dari perhitungan dinamika molekul uap air pada permukaan Au (111).

Ditemukan bahwa pulau es dua dimensi dua dimensi berhasil dan bebas terbentuk di permukaan, yang konsisten dengan pengamatan eksperimental kami.


Gambar No. 4

Gambar 4a menunjukkan secara bertahap mekanisme pembentukan jembatan kolektif pada tulang rusuk zigzag.

Di bawah ini adalah bahan media untuk penelitian ini dengan deskripsi.


Perlu dicatat bahwa satu pentagon yang melekat pada tulang rusuk zigzag tidak dapat bertindak sebagai pusat nukleasi lokal yang mendorong pertumbuhan.


Alih-alih, jaringan pentagon yang periodik tetapi tidak terhubung pada awalnya dibentuk pada tulang rusuk zigzag, dan molekul air yang masuk berikutnya secara kolektif mencoba menghubungkan pentagon ini, yang mengarah pada pembentukan struktur rantai tipe 565. Sayangnya, struktur ini tidak diamati selama pengamatan praktis, yang dijelaskan oleh rentang hidupnya yang sangat singkat.


Menambahkan sepasang air menghubungkan struktur tipe 565 dan pentagon yang berdekatan, yang mengarah pada pembentukan struktur tipe 5666.

Struktur tipe 5666 tumbuh dalam arah melintang, membentuk struktur tipe 56665 dan akhirnya berubah menjadi kisi heksagonal yang terhubung sepenuhnya.


Gambar 4b menunjukkan pertumbuhan dalam kasus tulang rusuk berbentuk lengan. Konversi dari cincin 575 tipe ke cincin 656 dimulai dari lapisan bawah, membentuk struktur komposit 575/656, yang tidak dapat dibedakan dari tulang rusuk tipe 5756 dalam percobaan, karena hanya lapisan atas es dua lapis yang dapat ditampilkan selama percobaan.


Jembatan 656 yang dihasilkan menjadi pusat nukleasi untuk pertumbuhan iga tipe 5656.


Penambahan satu molekul air ke tulang rusuk tipe 5656 mengarah pada struktur molekul yang sangat tidak berpasangan.


Dua molekul air yang tidak berpasangan ini kemudian dapat bergabung menjadi struktur heptagonal yang lebih stabil, menyelesaikan konversi dari 5656 menjadi 5756.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog

Kesimpulan utama dari penelitian ini adalah bahwa perilaku struktur yang diamati selama pertumbuhan dapat terjadi pada semua jenis es dua dimensi. Es heksagonal dua lapis terbentuk pada berbagai permukaan hidrofobik dan dalam kondisi kurungan hidrofobik, dan karenanya dapat dianggap sebagai kristal 2D yang terpisah (es 2D I), formasi yang tidak sensitif terhadap struktur dasar substrat.

Para ilmuwan dengan jujur ​​mengatakan bahwa teknik visualisasi mereka belum cocok untuk bekerja dengan es tiga dimensi, namun, hasil belajar es dua dimensi dapat berfungsi sebagai dasar untuk menjelaskan proses pembentukan kerabat volumetrikalnya. Dengan kata lain, pemahaman tentang bagaimana struktur dua dimensi terbentuk adalah fondasi penting untuk mempelajari struktur tiga dimensi. Untuk alasan ini, para peneliti berencana untuk meningkatkan metodologi mereka di masa depan.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan. :)

Sedikit iklan :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?