Name: Sonder la Structure et la dynamique de l’eau interfaciale avec Scanning Tunneling microscope et spectroscopie (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: Découvrez la structure et la dynamique de l'eau interfaciale à l'échelle atomique par imagerie sous-moléculaire, manipulation moléculaire et spectroscopie vibrationnelle de liaison unique. Cette méthode révèle la directionnalité des liaisons hydrogène.

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Ce travail est financé par le National clé de R & D programme sous 2017YFA0205003 et Grant No. 2016YFA0300901 2016YFA0300903, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine sous le Grant No. 11634001, 11290162/A040106. Y.J. reconnaît la prise en charge par le Fonds National de la Science d’éminents savants de Young et Cheung Kong Young Scholar Program. J. G. reconnaît en faveur du programme Postdoctoral National Talents novateurs.

Remarque : Les expériences sont effectuées sur les molécules d’eau adsorbées sur le film de NaCl(001) UA-assisté (Figure 1a) à 5 K avec un ultravide de STM cryogénique (UHV) équipé du contrôleur électronique Nanonis.
1. fabrication de l’échantillon expérimental
<ol><li>
Nettoyer le monocristal au (111)
	<ol>
<li>Pompe de la conduite de gaz à la pression de ~ 10-7 mbar et rincer ensuite la conduite de gaz avec gaz Ar. Mettez au cycle pompe/chasse d’eau trois fois. Remarque : Chaque cycle de pompe/encastré prend environ 30 min.</li>
		<li>Remplir le tuyau de gaz d’Ar gaz à la pression de 2 bars, interdisant ainsi l’atmosphère de pénétrer à travers la conduite de gaz.</li>
		<li>Mettre le cristal au (111) sur la scène du radiateur, qui est montée sur le manipulateur dans la chambre UHV (base pression de 1,4 × 10-10 mbar).</li>
		<li>Nettoyer le monocristal au (111) par des cycles d’Ar+ ion pulvérisation pendant 15 min (p(Ar) = 5 × 10−5 mbar, 1,0 kV, 6 µA) et recuit ultérieur à environ 900 K pendant 5 min. Remarque : La température de recuit doit être diminuée lentement, sinon une forte densité de bords formera sur la surface de l’UA. 3 - 5 cycles de pulvérisation/recuit sont habituellement utilisés.</li>
		<li>Transférer l’échantillon au (111) à l’étape de balayage de STM et vérifier la propreté avec la STM (illustration de la Figure 1b).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Dépôt de NaCl sur le substrat au (111)
	<ol>
<li>Une solution contenant de la source de NaCl. Lentement augmentation du courant appliquée sur la cellule de Knudsen jusqu'à ce que la température de la source atteint 670 K. Degas la source NaCl plusieurs fois jusqu'à ce que la pression de la chambre est inférieure à 4 × 10-9 mbar. NOTE : L’augmentation du taux du courant lié au taux de dégazage de la source de NaCl à maintenir la pression de la chambre inférieure à 1 × 10-8 mbar.</li>
		<li>Mettre l’échantillon au (111) sur le manipulateur et d’ajuster la position de l’échantillon de l’UA à faire l’échantillon à faire face à l’obturateur de la cellule de Knudsen. Remarque : La température du substrat au (111) pourrait être diminuée sous la température ambiante (77-300 K) en refroidissant la tête manipulateur avec un écoulement continu de l’azote liquide</li>
		<li>Augmenter le courant appliqué à la cellule de Knudsen, jusqu'à ce que la température de la source atteint 640 K et laissez le flux d’évaporation se stabiliser pendant 5 min avant l’ouverture de l’obturateur.</li>
		<li>Ouvrir l’obturateur et déposer le NaCl sur l’échantillon au (111), qui s’est tenue à 290 K pendant 2 min.</li>
		<li>Transférer l’échantillon appuyés Au NaCl à la STM à l’étape de numérisation. Vérifier la couverture et la taille des îles NaCl(001) bicouche sur le substrat au (111) avec la STM (Figure 1b).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Purifier l’eau sous vide par cycles de gel-dégel-pompe21 pour éliminer les impuretés restantes.<ol>
<li>Préparer trois adaptateurs sealed-off verre-UHV. Placez l’eau H2O, D2O et D2O:HOD:H2O mélange isotopique solutions (2 mL) dans trois adaptateurs séparément et les adaptateurs de montage sur la conduite de gaz (Figure 2). NOTE : Les mélanges D2O:HOD:H2O isotopiques peuvent être obtenues en mélangeant l’ultrapure H2O et D2O à quantités égales sous ultrasons oscillation pendant 10 min.</li>
		<li>Gelez l’eau liquide à l’azote liquide. Assurez-vous que la ligne de gaz est pompée à la pression de ~ 10-7 mbar avant la congélation.</li>
		<li>Ouvrez la soupape de membrane étanche et la pompe hors de l’atmosphère pendant 15 min. Ensuite, fermer la vanne à membrane étanche et décongeler la solution. Remarque : Les bulles de gaz évoluent de la solution quand il décongèle. Mise en garde : Laissez le dégel solvant congelé par lui-même. Dégel de la solution avec le bain d’eau peut provoquer le récipient de verre à briser. Pour congeler et décongeler la solution rapidement, remplacer les adaptateurs de verre-UHV avec adaptateurs métal-UHV, bien que la solution dans le récipient de métal est invisible.</li>
		<li>Répétez les étapes 1.3.2-1.3.3 jusqu'à ce qu’aucune bulle de gaz n’évolue de la solution comme la solution dégèle. Mettez au cycle gel-dégel-pompe au moins trois fois.</li>
		<li>Fermer le robinet à soufflet et laisser la conduite de gaz dans le vide. Puis ouvrez le robinet membrane étanche et laissez la vapeur d’eau à remplir dans la canalisation de gaz.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Dose eau molécules in situ sur la surface de l’échantillon<ol>
<li>Diminuer la température de l’échantillon à 5 K. ouvrir la vanne de fuite lentement pour faire la pression de la chambre de STM UHV augmenter à 2 × 10-10 mbar. Remarque : Les molécules d’eau se jettent dans la chambre UHV par le tube de dosage, qui pointe vers l’obturateur du bouclier. La distance entre l’obturateur et l’échantillon (dans le bouclier) est d’environ 6 cm. La pression de base de la chambre de la STM sont mieux que 7 × 10-11 mbar. Le taux de dépôts est d’environ 0,01 bicouche min-1.</li>
		<li>Ouvrir l’obturateur. Doser les molécules d’eau sur la surface de NaCl UA-assisté pendant 1 min. Ensuite, fermez le volet et la vanne de fuite.</li>
		<li>Vérifier la couverture des molécules d’eau sur la surface de NaCl(001) UA-assisté avec la STM. Forme de monomères isolé de l’eau sur la surface de l’échantillon (Figure 1c).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. préparation de la pointe se terminant par Cl
<ol><li>Fabriquer une pointe électrochimiquement gravé tungstène (W).<ol>
<li>Placez le fil de 0,3 mm W dans une solution de gravure 3 Mol/L NaOH avec une longueur d’immersion d’environ 2 mm.</li>
		<li>Appliquer un 5 V CC potentiels au fil W par rapport à une électrode de platine anneau inséré dans la solution de NaOH.</li>
		<li>Arrêter le processus de gravure lorsque la suspension fil W est tombé. Nettoyez l’extrémité W gravée avec l’eau distillée et l’éthanol. Puis transférez la pointe W dans le scanneur. Remarque : L’extrémité W électrochimiquement gravée peut être utilisée pendant un an avant l’échange.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Appliquer des impulsions de tension (2-10 V) et contrôlée s’écraser les procédures (0,25 à 0,4 nm) à l’extrémité de la STM jusqu'à ce que les atomes de Cl atomiques de la surface de NaCl sont résolus. Remarque : La pointe de la STM est fourrée sur une région propre de la surface au (111).</li>
	<li>Placer l’embout de la STM sur le centre de l’atome de Cl un (Figure 3a). Amener la pointe STM nue près de la surface de NaCl dans la proximité avec le set point de V = 5 mV et I = 5 n A (Figure 3b).</li>
	<li>Retirer l’embout d’origine valeur de consigne (Figure 3c) et balayer la même zone. Vérifier l’obtention de la Cl-pointe en résolution améliorée et un atome de Cl manquant à l’image de la STM de NaCl (Figure 3d-e). Remarque : Cas infructueuses peuvent occasionnellement se produire, par exemple, lorsque l’atome de Cl ne transfert à la STM ou plusieurs atomes de Cl/Na s’adsorber sur la pointe. Dans ce cas, répétez les étapes de 2,2 à 2,5.</li>
</ol>3. orbitale imagerie du monomère de l’eau
<ol><li>Façonner la pointe de la STM avec une impulsion de tension (2-10 V) et contrôlée s’écraser (0,25 à 0,4 nm) procédures.</li>
	<li>Analyser les molécules d’eau adsorbées à la surface de NaCl(001) avec 10 nm par 10 cadre nm à 5 K.</li>
	<li>Se concentrer sur un seul monomère d’eau individuels et effectuez un zoom avant. Scannez le monomère de l’eau de manière systématique en fonction de la polarisation (-400-400 mV) et le tunnel actuel (50-300, AP). NOTE : Avec une pointe STM nue, la plus haute occupée (HOMO) et plus bas inoccupé (LUMO) orbitales moléculaires d’eau apparaissent en biais positif et négatif, respectivement le22. Une fois que l’extrémité est terminée par le caractère Cl, seul HOMO émerge (Figure 4a) et la fonctionnalité LUMO n’est pas respectée tout au long de la plage accessible de biais (de -400 mV à 400 mV). Même dans la plus grande tension de polarisation, les molécules d’eau sera instables en raison de l’excitation vibrationnelle.</li>
</ol>4. spectroscopie vibrationnelle de molécules simples
<ol><li>
Programme d’installation de la digital verrouillage et module de biais de spectroscopie (contrôleur électronique de Nanonis)
	<ol>
<li>
Le programme d’installation du module de spectroscopie biais : Sélectionner le courant, LIX1 (dI/dV spectres du signal) et LIX2 (d2j’ai / signalent dV2 spectres) canaux. Définir le temps de prise comme 50 ms, et temps d’intégration comme Mme 300 augmenter le temps d’intégration et balayage fois afin d’obtenir des spectres lisses. Régler l’offset Z pour tirer la spectroscopie biais à des hauteurs différentes de pointe. Assurez-vous que le contrôleur Z cales et lock-ins s’exécute pendant la mesure NOTE : Le réglage de l’heure est définie comme : le temps d’attente après avoir changé la partialité d’un cran, et avant de commencer à acquérir des données pour éviter l’effet transitoire induite par le changement de polarisation. Temps d’intégration est définie comme : le temps pendant lequel les données sont acquises et en moyenne.</li>
		<li>
Programme d’installation du module de verrouillage Remarque : Le scanning tunneling spectroscopie, dI/dV et d2j’ai / dV2 spectres, sont acquises simultanément à l’aide d’un amplificateur à verrouillage par démodulation de la première et deuxième harmoniques du tunnel actuel, respectivement.<ol>
<li>Moduler la partialité et démoduler le courant. Définit la fréquence de modulation que quelques centaines Hz et modulation amplitude comme 5-7 mV. Assurez-vous qu’il n’y a aucun bruit mécanique et électronique à la fréquence de consigne et la deuxième fréquence harmonique correspondante.</li>
			<li>
La valeur de la première phase harmonique : Placez-vous dans le module de Z-contrôleur. Définir l’ascenseur pointe à 10 nm et coupez de la rétroaction. Basculez vers le module de verrouillage et allumez le bouton lock-in (vert). Cliquez sur la première auto harmonique de phase et d’enregistrer la phase. Répéter la phase auto au moins cinq fois et prendre la moyenne. Déduisez de la phase moyenne pour obtenir la phase de la jonction de 90 degrés.</li>
			<li>
Régler la phase seconde harmonique : Placer l’extrémité de la STM sur le substrat au (111) et commencer le balayage de la partialité de la spectroscopie de -1,5 V à 1,5 c. Sélectionnez le canal 1 LIX et fonction dY/dX, qui présentent ensemble le dérivé du spectre de dI/dV. Trouver une fonctionnalité de pointe de premier plan dans le spectre et l’énergie correspondante comme la partialité. Allumez le lock-in et maintenir le système de la STM en tunnel. Cliquez sur la phase d’auto seconde harmonique au moins cinq fois et faites la moyenne. Remarque : Étant donné que les deuxième signaux harmoniques sont généralement très faibles, la phase peut fluctuer sauvagement. Pour diminuer la hauteur de pointe pour augmenter l’intensité du signal, la fluctuation de la phase sera beaucoup plus petite (quelques degrés) et la seconde harmonique phase seront plus précise.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>
IETS pointe renforcée d’un monomère de2O D
	<ol>
<li>Numériser un monomère à la consigne de V = 100 mV et j’ai l’eau Cl-pointe = 50 PA.</li>
		<li>Placez la pointe du Cl sur la surface de NaCl et prendre la spectroscopie biais comme le signal de fond. Puis positionner la Cl-pointe sur le monomère de l’eau et commencer le balayage de la partialité de la spectroscopie.</li>
		<li>Si la dI/dV et d2j’ai / dV2 spectres d’eau sont sans relief, il suffit de suivre la surface de NaCl de fond (bleus courbes de la Figure 4c-d). Réduisez la hauteur de la pointe par le réglage de la Z compensée jusqu'à ce que les caractéristiques de vibrations sortent dans les spectres (courbes rouge de la Figure 4c-d). Remarque : pour la mesure de l’IETS, un temps d’intégration longue (~ 1 s) et balayages multiples sont nécessaires. Pour une eau de2O D monomère, définissez la plage biais de -360 mV à 360 mV. Pour H2O/CDD eau monomères, balayage de la partialité de-475 mV à 475 mV. Rivalisant avec D2O H2O et HOD, monomères de l’eau sont plus facilement perturbés et même balayé loin pendant la mesure de l’IETS.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Force de liaisons hydrogènes
	<ol>
<li>Répétez les étapes 4.2.2-4.2.3 et régler la gamme de biais de balayage à mettre l’accent sur le mode d’étirement de monomères de l’eau. Le IETS d’eau D2O H2O et HOD sont présenté et discuté dans 23.</li>
		<li>Obtenir l’énergie de liaison hydrogène en convertissant de décalage vers le rouge de l’OH de liaisons hydrogènes qui s’étend de fréquence (par rapport à l’énergie étirement OH libre) à l’aide de cette formule empirique : ΔH = 1,3 × √Δv (1) Remarque : ΔH est l’énergie de liaison hydrogène, en kJ/mol ; Δv est le décalage vers le rouge de l’OH qui s’étend de mode, en cm-1. Convertir l’unité de force de liaisons hydrogènes à meV par : 1kJ/mol = 10.4 meV/atom. Pour appliquer éq. 1 à la Division d’opposition qui s’étend de la mode, la quantité Δv doit être multipliées par un facteur : v(OH) / v(OD) = 1.3612, où v(OH) et v(OD) sont l’OH et OD qui s’étend de fréquences de la molécule libre de HOD, respectivement.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. moléculaire Manipulation
<ol><li>
Construction d’un tétramère de l’eau (Figure 5un)
	<ol>
<li>Analyser une zone contenant quatre monomères de l’eau. Positionner la Cl-pointe sur le dessus un monomère à la consigne de V = 100 mV et j’ai = 50 PA. Diminuer la hauteur de la valeur de consigne de V = 10 mV et j’ai = 150 pA pour resserrer les liens de pointe-l’eau.</li>
		<li>Déplacer la Cl-pointe le long des trajectoires prédéfinies. Puis retirer la pointe à la consigne initiale (V = 100 mV, j’ai = 50 pA), puis de réanalyser la même zone pour vérifier que le dimère de l’eau se forme.</li>
		<li>Répétez les étapes 5.1.1-5.1.2 pour former le trimère de l’eau et le tétramère. Remarque : Le processus de manipulation ci-dessus pourraient être réalisé par le contrôleur de Nanonis (Scan control-Follow me module). Configuration de l’analyse contrôle-suivre me module : Biais : 10 mV Vitesse : 500 h/s Ctrl-Z point de consigne : 150 pA Activer/désactiver Ctrl-Z : vert Délai d’attente : 1 s Gain en courant : LN 10 ^ 9 Chemin d’accès : Cliquez sur le bouton enregistrer et élaborer les trajectoires conçus sur l’image, puis cliquez sur le bouton STOP. Cliquez sur le bouton Exécuter et la pointe de la STM se déplace le long des trajectoires prédéfinies avec le point de consigne dans le suivi me module. Si le monomère de l’eau ne bouge pas, réduisez la hauteur de la pointe (biais plus petit et plus grand courant) au cours de la manipulation.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Chiralité de commutation d’un tétramère de l’eau (Figure 6)
	<ol>
<li>Numériser un tétramère de l’eau avec la pointe du Cl. Changer la valeur de consigne à V = 5 mV, I = 5 pA et positionner la pointe légèrement décentré du tétramère eau.</li>
		<li>Dans le module de Z-contrôleur, définir une distance pour soulever la pointe lorsque le Z-contrôleur est désactivé (par exemple, soulever de pointe : -230 h). Désactiver le feedback de Z-contrôleur. Amener la pointe près le tétramère de l’eau (~ 230 pm).</li>
		<li>Enregistrer la trace en cours, qui montre deux niveaux différents, ce qui indique que tétramère a subi une interconversion réversible entre deux hydrogènes chiralité.</li>
		<li>Laissez le courant à un niveau élevé et allumez la rétroaction Z-contrôleur. Rétracter la pointe à la consigne initiale (V = 5 mV, I = 5 pA). Puis analyser le tétramère de l’eau avec la consigne de V = 10 mV et moi = 100 pA pour vérifier l’État chiraux du tétramère eau.</li>
		<li>Répétez les étapes 5.2.1-5.2.4 au moins 10 fois pour confirmer l’état correspondant chiraux de tétramère de l’eau à un niveau élevé actuel.</li>
		<li>Répétez les étapes 5.2.1-5.2.4 au moins 10 fois, mais laisser le courant par le faible niveau de vérifier l’État chiraux correspondant du tétramère de l’eau.</li>
		<li>Enregistrer la trace tunneling pendant 20 min, qui contient quelques centaines commutation événements</li>
		<li>Tracer la distribution des temps le tétramère a passé dans le bas et haut niveau de la trace en cours, respectivement.</li>
		<li>Ajustement de la distribution d’une décroissance exponentielle (Figure 7). Puis téléchargez le temps équipé constant. Inverse de la constante de temps pour obtenir le taux de commutation.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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<li>Guo, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+quantum+effects+of+hydrogen+bonds+probed+by+tip-enhanced+inelastic+electron+tunneling%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling.</a> Science. 352 (6283), 321-325 (2016).</li>
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<li>Thuermer, K., Nie, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+hexagonal+and+cubic+ice+during+low-temperature+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Formation of hexagonal and cubic ice during low-temperature growth.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110 (29), 11757-11762 (2013).</li>
<li>Shiotari, A., Sugimoto, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh-resolution+imaging+of+water+networks+by+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy.</a> Nat. Commun. 8, (2017).</li>
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<li>Staudacher, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+magnetic+resonance+spectroscopy+on+a+%285-nanometer%293+sample+volume%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5-nanometer)3 sample volume.</a> Science. 339 (6119), 561-563 (2013).</li>
<li>Aslam, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+nuclear+magnetic+resonance+with+chemical+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution.</a> Science. 357 (6346), 67-71 (2017).</li>
</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Pour sonder la structure interne, la dynamique et la spectroscopie vibrationnelle des molécules d’eau adsorbée sur les surfaces solides, en accordant une attention particulière pour les degrés de liberté, de l’hydrogène, des mesures expérimentales sont d’une importance cruciale, qui sera examinées dans les paragraphes suivants.
L’imagerie orbitale des molécules d’eau est réalisé à l’issu des deux étapes clés. Tout d’abord, les films isolants de NaCl découpler l’eau par voie électronique du sub...

Les interactions entre l’eau et les surfaces des matériaux solides sont impliquées dans divers processus de réaction de surface, tels que la catalyse hétérogène, photoconversion, électrochimie, la corrosion et la lubrification et al. 1 , 2 , 3 en général, pour étudier l’eau interfaciale, spectroscopique et diffraction techniques sont couramment utilisés, telles que la spectroscopie infrarouge et Raman, génération de fréquence Somme (SFG), diffraction des rayons x (DRX), résonance magnétique nucléaire (RMN), neutron scattering4,5,6,7,8. Cependant, ces méthodes souffrent de la limite de résolution spatiale, spectrale élargissant et en moyenne les effets.
STM est une technique prometteuse pour surmonter ces limitations, qui combine la résolution spatiale de sub-Ångström, manipulation atomique et de la sensibilité vibratoire-liaison simple9,10,11,12 , 13 , 14. depuis le début de ce siècle, STM a été largement appliqué pour étudier la structure et la dynamique de l’eau sur les surfaces solides3,15,16,17, 18,19,20. En outre, la spectroscopie vibrationnelle issue des STM pourrait provenir de la conductance de tunneling différentielle dérivée seconde (d2j’ai / dV2), également connu comme d’inélastique electron tunneling spectroscopie (IETS). Cependant, résoudre la structure interne, c'est-à-dire les liaisons hydrogènes directionnalité et l’acquisition de la spectroscopie vibrationnelle fiable d’eau sont toujours difficiles. La principale difficulté réside en ce que l’eau est une molécule proche de shell, dont orbitales frontières sont loin de la fF, ainsi les électrons de la pointe de la STM peuvent difficilement passer dans les États de résonance moléculaire de l’eau, conduisant à la pauvre rapport signal-bruit d’imagerie moléculaire et la spectroscopie vibrationnelle.
Eau adsorbée sur les films soutenus par UA NaCl(001) est un système idéal pour échelle atomique enquête par STM avec une Cl se terminant par extrémité (Figure 1a), qui est jouée à 5 K en milieu ultravide (UHV) avec une pression de base mieux que 8 × 10-11 mbar. D’une part, les films isolants de NaCl dissocient les molécules d’eau par voie électronique du substrat Au donc orbitales frontières natif d’eau sont préservés et la durée de vie des électrons résidant dans l’état de résonance moléculaire se prolonge. En revanche, la pointe de la STM pourrait régler efficacement l’orbitale frontière d’eau vers la EF via pointe-eau de couplage, surtout quand la pointe est fonctionnalisée avec un atome de Cl. Ces étapes clés permettent une orbitale imagerie et spectroscopie vibrationnelle des monomères de l’eau et des grappes. En outre, les molécules d’eau peuvent être manipulés d’une manière bien contrôlée, en raison de la forte interaction électrostatique entre la Cl-pointe chargée négativement et l’eau.
Dans le présent rapport, les procédures de préparation de l’échantillon et la pointe se terminant par Cl pour l’enquête de la STM sont décrites en détail dans la section 1 et 2, respectivement. À l’article 3, les auteurs décrivent l’orbitale d’imagerie technique, par lequel la directionnalité de O-H de monomère de l’eau et du tétramère sont résolus. L’IETS pointe renforcée est introduit à l’article 4, qui permet la détection des modes de vibration des molécules d’eau à la limite de la liaison simple et la détermination de la résistance des liaisons hydrogènes avec une grande précision du décalage vers le rouge dans l’étirement de l’oxygène-hydrogène fréquence de l’eau. À l’article 5, nous montrons comment le tétramère de l’eau peut être construit et commuté par manipulation de pointe contrôlé. Basé sur l’orbitale imagerie, spectroscopie et des techniques de manipulation, les expériences de substitution isotopique peuvent être effectuées pour sonder la nature quantique des protons dans l’eau interfaciale, tels que le tunnel quantique et le mouvement de point zéro.

<table><tbody><tr><td>Au(111) monocristallin</td><td>MaTeck</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>450006</td><td></td></tr><tr><td>Eau, appauvrie en deutérium&nbsp ;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>195294</td><td></td></tr><tr><td>Oxyde de deutérium&nbsp ;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>364312</td><td></td></tr><tr><td>Adaptateurs étanches-UHV</td> Produits <td>de vide MDC</td><td>46300</td><td></td></tr><tr><td>Vanne à membrane</td><td>tout</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Vanne à soufflet</td><td>tout</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Vanne de fuite</td><td>Kurt J. Lesker&nbsp ;</td><td></td><td></td>NA</tr><tr><td>Microscopie à effet tunnel à balayage</td><td>CreaTec</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Contrôleur électronique.</td><td>Nanonis&nbsp ;</td><td></td><td>Fil de</td></tr><tr><td>tungstène</td> NA <td>n’importe quel</td><td></td><td>diamètre : 0,3 mm ; pureté : 99,95</td></tr></tbody></table> %

sonder la structure et la dynamique de l’eau interfaciale avec scanning tunneling microscope et spectroscopie

Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Des interfaces solide/eau sont omniprésentes et jouent un rôle clé dans de nombreux procédés environnementaux, technologiques et biophysiques. Résoudre la structure interne et la dynamique des liaisons hydrogènes (liaisons hydrogènes) des molécules d’eau adsorbées sur des surfaces solides de sondage sont des questions fondamentales de la science de l’eau, qui reste un grand défi en raison de la masse légère et de petite taille d’hydrogène. Scanning tunneling microscope (STM) est un outil prometteur pour s’attaquer à ces problèmes, grâce à ses capacités de résolution spatiale sup-Ångström, liaison simple sensibilité vibratoire et manipulation atomique et moléculaire. Le système expérimental conçu se compose d’un embout de Cl se terminant par un échantillon fabriqué en dosant l’eau molécules in situ sur l’UA (111)-prise en charge des surfaces de NaCl(001). Les films isolants de NaCl découpler électroniquement l’eau depuis les substrats métalliques, donc orbitales frontières intrinsèques des molécules d’eau sont préservés. Le Cl-Astuce facilite la manipulation des molécules d’eau unique, ainsi que Gate les orbitales d’eau à proximité du niveau de Fermi (EF) par couplage de la pointe-eau. Cet article décrit les méthodes détaillées de l’imagerie de résolution submolecular, la manipulation atomique/moléculaire et la spectroscopie vibrationnelle-liaison simple d’eau interfaciale. Ces études ouvrent une nouvelle voie pour l’étude des systèmes de liaisons hydrogènes à l’échelle atomique.

Figure 1 un illustre le schéma de l’installation expérimentale de la STM. Tout d’abord, au (111) substrat est nettoyé par pulvérisation cathodique et recuit de cycles dans la chambre d’UHV. L’échantillon au (111) propre montre 22 × / 3 surface reconstruite, où les atomes de la couche superficielle occupent le hcp et les sites de FAC, formant des structures de chevrons (illustration de la Figure 1b</strong...

Nous présentons ici un protocole visant à étudier la structure et la dynamique de l’eau interfaciale à l’échelle atomique, en ce qui concerne l’imagerie de résolution submolecular, la manipulation moléculaire et la spectroscopie vibrationnelle-liaison simple.

Sonder la Structure et la dynamique de l’eau interfaciale avec Scanning Tunneling microscope et spectroscopie

Water/solid interfaces are ubiquitous and play a key role in many environmental, biophysical, and technological processes. Resolving the internal ...

L’objectif général de cette expérience est de sonder la structure et la dynamique de l’eau interfaciale à l’échelle atomique en utilisant l’imagerie à résolution submoléculaire, la manipulation moléculaire et la spectroscopie vibrationnelle à liaison unique. Cette méthode peut aider à résoudre des questions fondamentales concernant la science de l’eau, telles que l’identification de la liaison hydrogène et de la directionnalité de l’eau, et l’exploration de la dynamique des liaisons hydrogène et de la spectroscopie vibrationnelle des molécules d’eau telles qu’elles sont montrées sur des surfaces solides. Le principal avantage de cette technique est que la STM combine la capacité de résolution spatiale sub-angström, la manipulation atomique et la sensibilité vibratoire à liaison unique.En plus de fournir un aperçu de la structure, de la dynamique et des effets quantiques nucléaires de l’eau de surface, il peut également être appliqué à des systèmes de liaisons hydrogène plus complexes et réalistes tels que l’eau confinée, les yeux de cerf, l’eau multicouche et les systèmes d’hydrogène dans l’eau. Pour commencer, suivez le protocole de texte qui l’accompagne pour nettoyer le monocristal d’or 111 à l’aide de cycles de pulvérisation cathodique d’ions argon et de recuit ultérieur. Déposez du chlorure de sodium sur la surface du cristal d’or, puis transférez-le à l’étape de balayage d’une installation STM.À l’aide de techniques STM standard, vérifiez la couverture et la taille de la lentille oculaire bicouche de chlorure de sodium 001 sur le substrat gold 111. Les résultats doivent ressembler à ceux présentés ici. Ensuite, purifiez l’eau à l’aide de cycles de congélation, de pompe et de décongélation pour éliminer toutes les impuretés restantes.Pompez la conduite de gaz à 10 puissance moins cinq pascals, puis congelez l’eau liquide avec de l’azote liquide. Fermez maintenant la vanne scellée à soufflet et laissez la conduite de gaz sous vide. Ouvrez ensuite la vanne à membrane étanche et laissez la vapeur d’eau remplir la conduite de gaz.Diminuez ensuite la température de l’échantillon à cinq kelvins. Ouvrez lentement la vanne de fuite pour faire augmenter la pression de la chambre STM sous ultravide à deux fois 10 à moins 10e millibar. Ouvrez ensuite l’obturateur.Dosez les molécules d’eau sur la surface de chlorure de sodium soutenue par de l’or pendant une minute. Fermez ensuite le volet et la vanne de fuite. À ce stade, vérifiez la couverture des molécules d’eau à la surface à l’aide des techniques STM standard.Attendez-vous à voir des monomères d’eau isolés à la surface de l’échantillon. Pour commencer, fabriquez une pointe de tungstène gravée électrochimiquement, gravez-la dans de l’hydroxyde de sodium à trois molaires, puis nettoyez-la à l’aide d’eau distillée et d’éthanol comme décrit dans le protocole de texte ci-joint. Ensuite, appliquez des impulsions de tension et des procédures de crash contrôlées sur l’extrémité STM jusqu’à ce que les atomes de chlore atomique de la surface du chlorure de sodium soient résolus.Positionnez ensuite la pointe STM au centre de l’un des atomes de chlore et rapprochez la pointe nue de la surface du chlorure de sodium à proximité du point de consigne. Ensuite, rétractez la pointe au point de consigne d’origine et balayez la même zone. Vérifiez qu’un atome de chlore s’est attaché à l’extrémité en visualisant à la fois la résolution améliorée et l’atome de chlore manquant dans l’image STM.Pour commencer, configurez le module de biospectroscopie. Sélectionnez le courant, la conductance différentielle, la dérivée des canaux de conductance différentielle. Ajustez ensuite le temps de réglage à 50 millisecondes et le temps d’intégration à 300 millisecondes.La spectroscopie à effet tunnel et la spectroscopie à effet tunnel inélastique sont acquises simultanément à l’aide d’un amplificateur à verrouillage en modulant respectivement la première et la seconde harmonique du courant à effet tunnel. Augmentez le temps d’intégration et les temps de balayage si nécessaire pour obtenir des spectres lisses. Réglez ensuite le décalage Z pour prendre la biospectroscopie à différentes hauteurs de pointe.Ensuite, ouvrez verrouillez, modulez la polarisation et démodulez le courant. Réglez la fréquence de modulation sur quelques centaines de hertz et l’amplitude de modulation sur cinq à sept millivolts. Après avoir réglé la fréquence de modulation, assurez-vous qu’il n’y a pas de bruit mécanique et électronique à la fréquence du point de consigne et à la deuxième fréquence harmonique correspondante.Pour régler la première phase harmonique, commencez par passer au module Z-Controller. Réglez l’élévation de la pointe sur 10 nanomètres et désactivez le retour d’information, puis passez au module de verrouillage et activez le bouton de verrouillage. Cliquez sur la première phase automatique harmonique et enregistrez la phase.Répétez la phase automatique au moins cinq fois et prenez la moyenne. Soustrayez ensuite 90 degrés de la phase moyenne pour obtenir la phase de la jonction. Ensuite, réglez la deuxième phase harmonique.Pour ce faire, positionnez la pointe STM sur le substrat d’or et démarrez le balayage de biospectroscopie de moins un volt à un volt. Sélectionnez ensuite le canal de conductance différentielle LI X 1 et la fonction dY/dX qui montrent ensemble la dérivée du spectre DI sur DV. Trouvez une caractéristique de crête proéminente dans le spectre et définissez l’énergie correspondante comme biais.Ensuite, activez le verrou et maintenez le système STM en mode tunnel. Cliquez sur la deuxième phase automatique harmonique au moins cinq fois et prenez la moyenne. Pour commencer, scannez le monomère de l’eau avec l’embout de l’atome de chlore.Positionnez ensuite la pointe sur la surface du chlorure de sodium et prenez la biospectroscopie comme signal de fond. Positionnez ensuite la pointe sur le monomère d’eau et lancez le balayage de biospectroscopie. Si les spectres dI/dV et de la dérivée seconde de l’eau sont sans caractéristiques, suivez simplement la surface de fond recouverte de chlorure de sodium, puis diminuez la hauteur de la pointe en ajustant le décalage Z jusqu’à ce que les caractéristiques vibratoires émergent dans les spectres.Pour commencer la construction d’un tétramère d’eau, recherchez d’abord une zone contenant quatre monomères d’eau et placez l’extrémité du chlore sur un monomère au point de consigne de V est égal à 100 millivolts et I est égal à 50 picoampères. Diminuez la hauteur de sorte que la tension soit de 10 millivolts et le courant de 150 picoampères. Cela améliorera l’interaction avec l’eau de la pointe.Ensuite, déplacez la pointe de l’atome de chlore le long des trajectoires prédéfinies. Ensuite, rétractez la pointe à son point de consigne initial et balayez à nouveau la même zone pour vérifier que le dimère d’eau est formé. Répétez ce processus jusqu’à ce qu’un trimère d’eau et éventuellement un tétramère se forment.Le tétramère contient deux états chiraux dégénérés. Boucles collées en H dans le sens inverse des aiguilles d’une montre et dans le sens des aiguilles d’une montre. Lorsque l’extrémité terminée par l’atome de chlore est abaissée, le courant représentatif rebondit lorsque le tétramère passe de l’état dans le sens des aiguilles d’une montre à celui dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.Lors de la rétraction de la pointe à la hauteur d’origine, le tétramère montré ici est laissé dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Les taux de commutation entre le sens des aiguilles d’une montre et le sens inverse des aiguilles d’une montre peuvent être extraits de la trace actuelle en fonction du temps pour montrer la distribution de la durée de vie d’un tétramère. Le tétramère dans le sens des aiguilles d’une montre peut être ajusté par une décroissance exponentielle.Pour explorer le mécanisme du transfert de protons dans le tétramère, l’effet de la substitution isotopique totale et partielle sur la commutation de chiralité est décrit ici. Il est frappant de constater que le taux de commutation de la chiralité des quatre tétramères d’eau est considérablement réduit en remplaçant une seule molécule d’eau par de l’oxyde de deutérium. Presque au même niveau que les quatre tétramères d’oxyde de deutérium.Lors de l’exécution de la procédure de manipulation et de spectroscopie vibrationnelle, il est important de ne pas oublier de fonctionnaliser la pointe STM avec un seul atome de chlore. Cette technologie fournit des signes de surface, une méthode ingénieuse pour explorer la topologie détaillée du réseau de liaisons hydrogène et les mouvements quantiques des protons dans les amas d’eau à l’échelle atomique. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’identifier la directionnalité de la liaison hydrogène via l’imagerie opto.Vous devez également comprendre comment pousser la spectroscopie vibrationnelle jusqu’à une seule limite de liaison et comment manipuler les molécules d’eau de manière contrôlée.

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