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.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

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>

<ol><li>Thiel, P. A., Madey, T. E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/016757298790001X">The interaction of water with solid surfaces: Fundamental aspects.</a> Surf. Sci. Rep. 7 (6-8), 211-385 (1987).</li>
<li>Henderson, M. A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167572901000206">The interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited.</a> Surf. Sci. Rep. 46 (1-8), 1-308 (2002).</li>
<li>Hodgson, A., Haq, S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167572909000405">Water adsorption and the wetting of metal surfaces.</a> Surf. Sci. Rep. 64 (9), 381-451 (2009).</li>
<li>Brougham, D. F., Caciuffo, R., Horsewill, A. J. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/nature/journal/v397/n6716/full/397241a0.html">Coordinated proton tunnelling in a cyclic network of four hydrogen bonds in the solid state.</a> Nature. 397 (6716), 241-243 (1999).</li>
<li>Andreani, C., Colognesi, D., Mayers, J., Reiter, G. F., Senesi, R. <a target="_blank" href="http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/00018730500403136">Measurement of momentum distribution of light atoms and molecules in condensed matter systems using inelastic neutron scattering.</a> Adv. Phys. 54 (5), 377-469 (2005).</li>
<li>Shen, Y. R., Ostroverkhov, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sum-frequency+vibrational+spectroscopy+on+water+interfaces%3A+Polar+orientation+of+water+molecules+at+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Sum-frequency vibrational spectroscopy on water interfaces: Polar orientation of water molecules at interfaces.</a> Chem. Rev. 106 (4), 1140-1154 (2006).</li>
<li>Soper, A. K., Benmore, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+differences+between+heavy+and+light+water%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Quantum differences between heavy and light water.</a> Phys. Rev. Lett. 101 (6), 065502(2008).</li>
<li>Kimmel, G. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polarization-+and+azimuth-resolved+infrared+spectroscopy+of+water+on+TiO2%28110%29%3A+Anisotropy+and+the+hydrogen-bonding+network%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+Lett%22%5BJournal%5D)">Polarization- and azimuth-resolved infrared spectroscopy of water on TiO2(110): Anisotropy and the hydrogen-bonding network.</a> J. Phys. Chem. Lett. 3 (6), 778-784 (2012).</li>
<li>Eigler, D. M., Schweizer, E. K. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/344524a0">Positioning single atoms with as a scanning tunneling microscope.</a> Nature. 344 (6266), 524-526 (1990).</li>
<li>Stroscio, J. A., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+and+molecular+manipulation+with+the+scanning+tunneling+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Atomic and molecular manipulation with the scanning tunneling microscope.</a> Science. 254 (5036), 1319-1326 (1991).</li>
<li>Stipe, B. C., Rezaei, M. A., Ho, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-molecule+vibrational+spectroscopy+and+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Single-molecule vibrational spectroscopy and microscopy.</a> Science. 280 (5370), 1732-1735 (1998).</li>
<li>Ho, W. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1521153">Single-molecule chemistry.</a> J. Chem. Phys. 117 (24), 11033-11061 (2002).</li>
<li>Repp, J., Meyer, G., Stojkovic, S. M., Gourdon, A., Joachim, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecules+on+insulating+films%3A+Scanning-tunneling+microscopy+imaging+of+individual+molecular+orbitals%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Molecules on insulating films: Scanning-tunneling microscopy imaging of individual molecular orbitals.</a> Phys. Rev. Lett. 94 (2), 026803(2005).</li>
<li>Weiss, C., Wagner, C., Temirov, R., Tautz, F. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+imaging+of+intermolecular+bonds+in+scanning+tunneling+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Direct imaging of intermolecular bonds in scanning tunneling microscopy.</a> J. Am. Chem. Soc. 132 (34), 11864-11865 (2010).</li>
<li>Verdaguer, A., Sacha, G. M., Bluhm, H., Salmeron, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+structure+of+water+at+interfaces%3A+Wetting+at+the+nanometer+scale%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Molecular structure of water at interfaces: Wetting at the nanometer scale.</a> Chem. Rev. 106 (4), 1478-1510 (2006).</li>
<li>Michaelides, A., Morgenstern, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ice+nanoclusters+at+hydrophobic+metal+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces.</a> Nat. Mater. 6 (8), 597-601 (2007).</li>
<li>Feibelman, P. J. <a target="_blank" href="http://physicstoday.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3326987?journalCode=pto">The first wetting layer on a solid.</a> Phys. Today. 63 (2), 34-39 (2010).</li>
<li>Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+molecular+perspective+of+water+at+metal+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">A molecular perspective of water at metal interfaces.</a> Nat. Mater. 11 (8), 667-674 (2012).</li>
<li>Kumagai, T. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079681615000180">Direct observation and control of hydrogen-bond dynamics using low-temperature scanning tunneling microscopy.</a> Prog. Surf. Sci. 90 (3), 239-291 (2015).</li>
<li>Maier, S., Salmeron, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((How+does+water+wet+a+surface%5BTitle%5D)+AND+%22Acc.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">How does water wet a surface.</a> Acc. Chem. Res. 48 (10), 2783-2790 (2015).</li>
<li>JoVE Science Education Database. <a target="_blank" href="https://www.jove.com/science-education/5639/degassing-liquids-with-freeze-pump-thaw-cycling">. Essentials of Organic Chemistry. Degassing Liquids with Freeze-Pump-Thaw Cycling.</a> JoVE. , Cambridge, MA. (2017).</li>
<li>Guo, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-space+imaging+of+interfacial+water+with+submolecular+resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Real-space imaging of interfacial water with submolecular resolution.</a> Nat. Mater. 13 (2), 184-189 (2014).</li>
<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>
<li>Meng, X., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphys3225">Direct visualization of concerted proton tunnelling in a water nanocluster.</a> Nat. Phys. 11 (3), 235-239 (2015).</li>
<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>
<li>Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/nphoton.2010.235">Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy.</a> Nat. Photonics. 4 (12), 869-874 (2010).</li>
<li>Yoshida, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+ultrafast+spin+dynamics+with+optical+pump-probe+scanning+tunnelling+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Probing ultrafast spin dynamics with optical pump-probe scanning tunnelling microscopy.</a> Nat. Nanotechnol. 9 (8), 588-593 (2014).</li>
<li>Mamin, H. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+nuclear+magnetic+resonance+with+a+nitrogen-vacancy+spin+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nanoscale nuclear magnetic resonance with a nitrogen-vacancy spin sensor.</a> Science. 339 (6119), 557-560 (2013).</li>
<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 monocris

probing-structure-dynamics-interfacial-water-with-scanning-tunneling

Research

Recherche

JoVE Journal

Chemistry

Chimie

Un protocole permettant de coupler de manière covalente une grande variété de molécules uniques sur une pointe AFM est présenté. Des procédures et des exemples pour déterminer la force d’adhésion et l’énergie libre de ces molécules sur des supports solides et des bio-interfaces sont fournis.

Enquête molécule unique adhérence par force atomique Spectroscopie

Ce travail présente un protocole pour la manipulation de liquides et introduction de l'échantillon à un microcanaux pour in situ à temps de vol des ions secondaires masse analyse par spectrométrie de biomolécules de protéines dans une solution aqueuse.

La caractérisation in situ des protéines hydratés dans l&#39;eau par Salvi TOF-SIMS

Nous démontrons la manipulation précise de molécules organiques individuelles sur une surface métallique avec la pointe d’un microscope à sonde à balayage piloté en 3D par la main de l’expérimentateur à l’aide d’un système de capture de mouvement et de lunettes de réalité virtuelle totalement immersives.

Manipulation de l&#39;unité Molécules contrôlée main via un microscope à balayage de la sonde avec une interface de réalité virtuelle 3D

Ce protocole décrit le fonctionnement d'un porte-échantillon d'écoulement de liquide pour la microscopie électronique à balayage de transmission de AuNPs dans l'eau, telle qu'elle est utilisée pour l'observation des processus dynamiques à l'échelle nano.

L&#39;étude des processus dynamiques de Nano-objets de taille dans le liquide en utilisant la transmission de microscopie électronique à balayage

Nous présentons une procédure d’imagerie en temps réel et analyse de la composition élémentaire de la boehmite particules dans l’eau désionisée par in situ en microscopie électronique à balayage liquide.

In Situ Caractérisation des particules de Boehmite dans l’eau à l’aide de liquide SEM

Nous démontrons une méthode entièrement électronique afin d’observer la dynamique de l’accusation résolue en nanosecondes d’atomes de dopant dans le silicium avec un microscope à effet tunnel.

Entièrement électronique résolue en nanosecondes Tunneling microscope à balayage : Faciliter l’Investigation de la dynamique de Charge unique de Dopant

Étant largement utilisé, la spectroscopie vibratoire de la génération de fréquences de somme (SFG) peut aider à révéler l'ordre conformationnel de chaîne et le changement structurel secondaire se produisant aux interfaces de polymère et de biomacromolecule.

Structures moléculaires interfaciales de polymères et de biomacromolécules révélées par spectroscopie vibratoire de génération de fréquence de somme

L’analyse du déplacement carré moyen (iMSD) dérivée de l’imagerie est appliquée aux macroponosomes pour mettre en évidence leur nature intrinsèque évolutive dans le temps en termes de propriétés structurelles et dynamiques. Les macropoinosomes sont ensuite comparés aux granules sécrétoires d’insuline (ISG) comme référence pour les structures subcellulaires ayant des propriétés structurelles/dynamiques moyennes invariantes dans le temps.

Sondage des propriétés structurelles et dynamiques des nanostructures subcellulaires de trafic par spectroscopie de fluctuation spatio-temporelle

Ce manuscrit décrit la conception et le fonctionnement d’un microtensiomètre/microscope confocal pour effectuer des mesures simultanées de la tension interfaciale et de la rhéologie dilatationnelle de surface tout en visualisant la morphologie interfaciale. Cela fournit la construction en temps réel des relations structure-propriété des interfaces importantes en technologie et en physiologie.

Microtensiomètre pour la visualisation en microscopie confocale d’interfaces dynamiques

Un cadre d’imagerie hyperspectrale multimodale rapide a été développé pour obtenir des images de génération de somme de fréquence vibratoire (VSFG) à large bande, ainsi que des modalités d’imagerie de génération de deuxième harmonique (SHG) en fond clair. En raison de la fréquence infrarouge en résonance avec les vibrations moléculaires, des connaissances microscopiques structurelles et morphologiques mésoscopiques sont révélées à partir d’échantillons autorisés par symétrie.

Imagerie chimique hyperspectrale non linéaire multimodale à l’aide de la microscopie à génération de somme et de fréquence vibrationnelle à balayage linéaire

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.

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

Explorer plus de vidéos