На промерзшую дней, водяной пар в воздухе может трансформироваться прямо на твердый лед, нанесения тонкого слоя на поверхностях, таких как стекло или лобовое стекло автомобиля. Хоть и банальность, этот процесс является то, что удерживало физики и химики заняты, выясняя детали на протяжении десятилетий.
В новую природу бумаги, международная команда ученых описали первый в истории визуализации атомной структуры двумерных лед, как она формируется. Выводы из выводов, которые были вызваны компьютерного моделирования, которая вдохновила экспериментальной работы, однажды могут быть использованы при разработке материалов, которые делают удаление льда более простым и менее дорогостоящим процессом.
«Одна из вещей, которые я нахожу очень захватывающим является то, что это ставит под сомнение традиционное представление о том, как лед растет», — говорит Джозеф С. Франциско, атмосферный химик из Университета Пенсильвании и автор на бумаге.
«Зная структуру очень важно», — добавляет соавтор Chongqin Чжу, постдокторант в группе Франциско, который вел большую часть вычислительной работы по изучению. «Маломерная воды повсеместно встречается в природе и играет важную роль в невероятно широком спектре наук, в том числе материаловедения, химии, биологии и наук об атмосфере.
«Она также имеет практическое значение. Например, удаление льда имеет решающее значение, когда дело доходит до вещи, как ветряные турбины, которая не может функционировать, когда они покрыты льдом. Если мы понимаем взаимодействие между водой и поверхностью, тогда мы сможем разработать новые материалы для изготовления этого удаления льда легче».
В последние годы лаборатория Франциско уделяет значительное внимание изучению поведения воды и льда в частности, на границе раздела твердых поверхностей. То, что они узнали о механизмах нарастания льда и его структуры в данном контексте помогает им понять, как лед ведет себя в сложных ситуациях, как и при взаимодействии с другими химическими веществами и парами воды в атмосфере.
«Мы заинтересованы в химии льда при переходе в газовую фазу, как это относится к реакциям, которые происходят в нашей атмосфере», — объясняет Франциско.
Чтобы понять основные принципы роста льда, исследователи ввели эти области исследования путем изучения двумерных структур: слои льда толщиной всего в несколько молекул воды.
В предыдущих исследованиях двумерных льда, используя вычислительные методы и моделирование, Франсиско, Жу и его коллеги показали, что лед растет по-разному в зависимости от того, является ли поверхность отталкивает или притягивает воду, и структуру этой поверхности.
В текущей работе, они ищут в реальном мире проверка их результатов, обращение к команде в Пекинском университете, чтобы увидеть, если они могут получить изображения двумерных льда.
Команда Пекинского работало супер-мощный атомно-силовой микроскопии, которая использует механический зонд, чтобы «почувствовать» материал изучается, перевод обратной связи на наноуровне-разрешение изображения. Атомно-силовая микроскопия способна снимать структурной информации с минимальными потерями для самого материала, позволяя ученым определить даже нестабильных промежуточных структур, которые возникли в процессе образования льда.
Практически всех природных льдов на Земле известен как гексагональный лед для шестисторонней структуры. Вот почему все снежинки имеют шесть-кратной симметрией. Одной плоскости гексагонального льда имеет аналогичную структуру с двухмерной лед и может разорвать в двух типах краев — «зигзаг» и «кресло.» Обычно эта плоскость естественным льдом прекращается с зигзагообразными краями.
Однако, когда лед вырос в два измерения, исследователи находят, что динамика роста разная. Нынешняя работа впервые показывает, что кресло ребер может быть стабилизирована и что их рост следует романное тропа реакции.
«Это совершенно другой механизм, от того, что было известно», — говорит Чжу.
Хотя модели роста зигзаг раньше считали только шесть-membered кольца из молекул воды, как расчеты Чжу и атомно-силовой микроскопии показали промежуточный этап, где присутствовали пять-membered кольца.
В этом результате, говорят исследователи, может помочь объяснить экспериментальные наблюдения сообщили в 2017 бумаги ООПТ, которые нашли, что лед может вырасти в два различных способа на поверхности, в зависимости от свойств этой поверхности.
В дополнение к кредитованию представление будущего дизайна из материалов, способствующих льда удаления, методы, используемые в работе, также применимы к проверить рост большое семейство двумерных материалов за пределы двухмерной льдов, что открывает новые возможности визуализации структуры и динамики низкоразмерных дело.
Для химик Джеффри Савьене, профессор в Penn искусств и наук, который непосредственно не участвует в текущей деятельности, взаимодействие между теоретиками в группе Франциско и их коллеги в Китае вспомнил притчу он узнал от наставника во время обучения.
«Экспериментатор разговаривает с теоретиками о данных, собранных в лаборатории. Посредственный теоретик говорит, ‘Я не могу объяснить ваши данные’. Хороший теоретик говорит, ‘У меня есть теория, что соответствует вашим данных. Великий теоретик говорит: ‘Вот интересно, а вот эксперимент, который вы должны делать и почему.»
Чтобы построить такое успешное партнерство, Жу-Франциско и их коллеги отправляются на теоретические и экспериментальные работы, чтобы начать, чтобы заполнить пробелы, связанные с как двумерный льда в трех измерениях.
«Двумерный работа является фундаментальной для укладки фоне», — говорит Франциско. «И расчеты подтверждены экспериментами так хорошо, потому что это позволяет нам вернуться к расчетам и сделать следующий смелый шаг в сторону трех измерениях».
«Ищу особенности трехмерной лед будет следующий шаг», — говорит Чжу, «и должно быть очень важно для применения этой работы.»
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!