La struttura e la dinamica di acqua interfaccia con Tunneling di microscopia e spettroscopia di sondaggio

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di sondare la struttura e la dinamica dell'acqua interfacciale su scala atomica utilizzando l'imaging a risoluzione submolecolare, la manipolazione molecolare e la spettroscopia vibrazionale a legame singolo. Questo metodo può aiutare a rispondere a questioni fondamentali sulla scienza dell'acqua, come l'identificazione del legame idrogeno e della direzionalità dell'acqua e il sondaggio della dinamica del legame idrogeno e della spettroscopia vibrazionale delle molecole d'acqua, come mostrato su superfici solide. Il vantaggio principale di questa tecnica è che STM combina la capacità di risoluzione spaziale sub-angstrom, la manipolazione atomica e la sensibilità vibrazionale a legame singolo.

Oltre a fornire informazioni sulla struttura, la dinamica e gli effetti quantistici nucleari dell'acqua superficiale, può anche essere applicato a sistemi di legame idrogeno più complessi e realistici come l'acqua confinata, gli occhi di cervo, l'acqua multistrato e i sistemi di idrogeno dell'acqua. Per iniziare, segui il protocollo di testo di accompagnamento per pulire il singolo cristallo d'oro 111 utilizzando cicli di sputtering con ioni argon e successiva ricottura. Depositare il cloruro di sodio sulla superficie del cristallo d'oro e quindi trasferirlo alla fase di scansione di un set up STM.

Utilizzando le tecniche STM standard, controllare la copertura e le dimensioni della lente oculare a doppio strato di cloruro di sodio 001 sul substrato in oro 111. I risultati dovrebbero essere simili a quelli mostrati qui. Quindi purificare l'acqua utilizzando cicli di congelamento, pompa, scongelamento per rimuovere eventuali impurità rimanenti.

Pompare la linea del gas a 10 a meno cinque pascal e quindi congelare l'acqua liquida con azoto liquido. Ora chiudere la valvola sigillata a soffietto e lasciare la linea del gas sotto vuoto. Quindi aprire la valvola sigillata a membrana e lasciare che il vapore acqueo si riempia nella linea del gas.

Quindi diminuire la temperatura del campione a cinque kelvin. Aprire lentamente la valvola di perdita per far aumentare la pressione della camera STM ad altissimo vuoto da due volte 10 a meno 10 millibar. Quindi apri l'otturatore.

Dosare le molecole d'acqua sulla superficie di cloruro di sodio supportata dall'oro per un minuto. Quindi chiudere l'otturatore e la valvola di perdita. A questo punto, verificare la copertura delle molecole d'acqua sulla superficie utilizzando le tecniche standard STM.

Aspettatevi di vedere monomeri d'acqua isolati sulla superficie del campione. Per iniziare, fabbricare una punta di tungsteno incisa elettrochimicamente, inciderla in idrossido di sodio a tre molari e quindi pulirla utilizzando acqua distillata ed etanolo come descritto nel protocollo di testo allegato. Successivamente, applicare impulsi di tensione e procedure di crash controllate sulla punta STM fino a quando gli atomi di cloro atomico della superficie del cloruro di sodio non sono risolti.

Quindi posizionare la punta STM al centro di uno degli atomi di cloro e avvicinare la punta nuda alla superficie del cloruro di sodio in prossimità del set point. Quindi, ritrarre la punta al set point originale ed eseguire la scansione della stessa area. Verificare che un atomo di cloro si sia attaccato alla punta visualizzando sia la risoluzione migliorata che l'atomo di cloro mancante nell'immagine STM.

Per iniziare, imposta il modulo di biospettroscopia. Selezionare la corrente, la conduttanza differenziale, la derivata dei canali di conduttanza differenziale. Quindi regolare il tempo di impostazione a 50 millisecondi e il tempo di integrazione a 300 millisecondi.

La spettroscopia di tunneling e la spettroscopia di elettrotunneling anelastico vengono acquisite simultaneamente utilizzando un amplificatore lock in modulando rispettivamente la prima e la seconda armonica della corrente di tunneling. Aumentare il tempo di integrazione e i tempi di scansione secondo necessità per ottenere spettri uniformi. Quindi regolare l'offset Z per eseguire la biospettroscopia a diverse altezze della punta.

Quindi aprire il blocco, modulare la polarizzazione e demodulare la corrente. Impostare la frequenza di modulazione su poche centinaia di hertz e l'ampiezza di modulazione su cinque a sette millivolt. Dopo aver impostato la frequenza di modulazione, assicurarsi che non vi siano disturbi meccanici ed elettronici alla frequenza di set point e alla frequenza di seconda armonica corrispondente.

Per impostare la prima fase armonica, iniziare passando al modulo Z-Controller. Impostare l'alzata della punta a 10 nanometri e disattivare il feedback, quindi passare al modulo di blocco e attivare il pulsante di blocco. Fare clic sulla prima fase armonica automatica e registrare la fase.

Ripeti la fase automatica almeno cinque volte e fai la media. Quindi sottrarre 90 gradi dalla fase media per ottenere la fase della giunzione. Successivamente impostare la seconda fase armonica.

Per fare ciò, posizionare la punta STM sul substrato d'oro e avviare la scansione della biospettroscopia da meno un volt a un volt. Quindi selezionare il canale di conduttanza differenziale LI X 1 e la funzione dY/dX che insieme mostrano la derivata di DI sullo spettro DV. Trova una caratteristica di picco prominente nello spettro e imposta l'energia corrispondente come polarizzazione.

Quindi attiva il blocco e mantieni il sistema STM in modalità tunneling. Fare clic sulla seconda fase automatica armonica almeno cinque volte e fare la media. Per iniziare, scansiona il monomero dell'acqua con la punta dell'atomo di cloro.

Quindi posizionare la punta sulla superficie del cloruro di sodio e prendere la biospettroscopia come segnale di fondo. Posizionare quindi la punta sul monomero d'acqua e avviare la scansione della biospettroscopia. Se gli spettri dI/dV e la derivata seconda dell'acqua sono privi di caratteristiche, è sufficiente seguire la superficie rivestita di cloruro di sodio sullo sfondo, quindi diminuire l'altezza della punta regolando l'offset Z fino a quando le caratteristiche vibrazionali emergono negli spettri.

Per iniziare la costruzione di un tetramero d'acqua, per prima cosa si esegue la scansione di un'area contenente quattro monomeri d'acqua e si posiziona la punta di cloro sopra un monomero al punto di regolazione di V uguale a 100 millivolt e I uguale a 50 picoampere. Diminuire l'altezza in modo che la tensione sia di 10 millivolt e la corrente sia di 150 picoampere. Ciò migliorerà l'interazione con l'acqua della punta.

Quindi sposta la punta dell'atomo di cloro lungo le traiettorie prestabilite. Quindi ritrarre la punta al suo set point iniziale e ripetere la scansione della stessa area per verificare che il dimero d'acqua si sia formato. Ripetere questo processo fino a formare un trimmer ad acqua e infine un tetramero.

Il tetramero contiene due stati chirali degeneri. Anelli incollati H in senso antiorario e orario. Quando la punta terminata con l'atomo di cloro viene abbassata, la corrente rappresentativa rimbalza mentre il tetramero passa dallo stato in senso orario a quello antiorario.

Quando si ritrae la punta all'altezza originale, il tetramero mostrato qui viene lasciato in senso antiorario. Le velocità di commutazione tra senso orario e antiorario possono essere estratte dalla traccia della corrente rispetto al tempo per mostrare la distribuzione del tempo di vita di un tetramero. Il tetramero in senso orario può essere adattato mediante un decadimento esponenziale.

Per esplorare il meccanismo del trasferimento di protoni nel tetramero, viene descritto qui l'effetto della sostituzione isotopica totale e parziale sulla commutazione della chiralità. Sorprendentemente, la velocità di commutazione della chiralità dei quattro tetrameri d'acqua è sostanzialmente ridotta sostituendo una singola molecola d'acqua con ossido di deuterio. Quasi allo stesso livello dei quattro tetrameri di ossido di deuterio.

Durante l'esecuzione della procedura di manipolazione e spettroscopia vibrazionale, è importante ricordare di funzionalizzare la punta STM con un singolo atomo di cloro. Questa tecnologia fornisce ai segni di superficie un metodo ingegnoso per esplorare la topologia dettagliata della rete di legami idrogeno e i moti quantistici dei protoni negli ammassi d'acqua su scala atomica. Dopo aver visto questo video dovresti avere una buona comprensione di come identificare la direzionalità del legame idrogeno tramite opto imaging.

Dovresti anche capire come spingere la spettroscopia vibrazionale fino a un limite di singolo legame e come manipolare le molecole d'acqua in modo controllato.