Name: 構造と走査型トンネル顕微鏡および分光法による界面の水のダイナミクスを調べる (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-05-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: 学ぶ 走査型トンネル顕微鏡と単結合振動分光法を用いた界面水の原子スケール構造とダイナミクス。水素結合ネットワークと量子運動の詳細な解析が可能です。

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この作品は国立キー R

注: 実験を行った (図 1、) Au サポート NaCl(001) フィルムの吸着水分子の 5 K で超高真空 (UHV) 極低温 STM Nanonis 電子コント ローラー装備で。
1. 実験試料の作製
<ol><li>
Au (111) 単結晶をきれい
	<ol>
<li>〜 10-7 mbar の圧力にガスラインをポンプ、Ar ガスとガス ラインをフラッシュします。3 回ポンプ/フラッシュ サイクルを介してを置きます。 注: 各ポンプ/フラッシュ サイクルは約 30 分かかります。</li>
		<li>バー、ガスラインを透過する雰囲気を禁止する 2 の圧力に Ar ガスをガスのラインを入力します。</li>
		<li>超高真空チャンバーのマニピュレーターに取り付けられたヒーター ステージ上 au (111) 結晶を置く (1.4 × 10 の圧力を基本-10 mbar)。</li>
		<li>きれいに+ Ar イオンスパッタ リング 15 分間のサイクルで au (111) 単結晶 (p(Ar) = 5 × 10−5 mbar、1.0 kV、6 μ A) と 5 分間約 900 K でアニールします。 注: アニーリングの温度をゆっくりと減らしてください、金表面上ステップ エッジの高密度に形成されるそれ以外の場合。3-5 サイクルのスパッタリング/焼鈍が用いられている.</li>
		<li>STM スキャン段階に au (111) サンプルを転送し、stm (図 1bの差込み) 清浄度をチェックします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Au (111) 基板上の塩化ナトリウムの析出
	<ol>
<li>ドガの NaCl ソース。ゆっくりとソースの温度までクヌーセン セルに電流の増加に達する 670 k. ドガ NaCl ソース数回チャンバーの圧力が 4 × 10-9 mbar の下まで。 注: 現在の増加率は、1 × 10-8 mbar 以下室の圧力を維持するために、NaCl ソースのアウトガス速度によって異なります。</li>
		<li>マニピュレーターを au (111) サンプルを入れてサンプルをクヌーセン携帯のシャッターを直面させる Au サンプルの位置を調整します。 注: au (111) 基板の温度低減すること部屋の温度 (77 300 K) の下で冷却される液体窒素の連続的な流れを持つマニピュレーターの頭で</li>
		<li>ソースの温度が 640 K に達するまでクヌーセン細胞に電流を増加させ、シャッターを開く前に 5 分間安定蒸発フラックス。</li>
		<li>シャッターを開き、開催された 290 K 2 分の au (111) サンプルに NaCl を入金します。</li>
		<li>Au サポート NaCl サンプルをスキャン ステージ STM に転送します。カバレッジと STM (図 1b) を用いた au (111) 基板上に二層 NaCl(001) 島のサイズを確認します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>残りの不純物を除去する凍結融解のポンプ21真空下で水を浄化します。<ol>
<li>3 つのシールをガラス真空アダプターを準備します。水 H2O、D2O、D2O:HOD:H2O 同位体混合ソリューション (2 mL) を 3 つのアダプターに個別に配置し、ガス管線 (図 2) にアダプターをマウントします。 注: D2O:HOD:H2O 同位体混合は、10 分間超音波振動下の等しい金額を超純水 H2O と D2O を混合することによって取得できます。</li>
		<li>液体窒素と液体の水を凍結します。ガス管線凍結前に、~ 10-7 mbar の圧力にポンプでくまれることを確認します。</li>
		<li>隔膜のバルブを開き、15 分間大気をポンプ。隔膜のバルブを閉じ、ソリューションを解凍します。 注: それが融解するときに、ソリューションから気泡が進化します。 注意:ひとりでに凍結溶媒解凍をしましょう。水浴とソリューションを融解、ガラス容器を破る可能性があります。凍結してソリューションをすばやく解凍するには、金属の容器でソリューションが表示されていないのに金属超高真空アダプター ガラス真空アダプターを取り付けます。</li>
		<li>気泡進化ないソリューションからソリューションの解凍までの手順 1.3.2-1.3.3 を繰り返します。凍結ポンプ融解サイクルを介して、少なくとも 3 回を置きます。</li>
		<li>ベローズ シール バルブを閉じて、真空中でガス管線のまま。隔膜のバルブを開き、水蒸気ガス ラインに記入をしましょう。</li>
	</ol>
</li>
	<li>線量水分子その場でサンプル表面に<ol>
<li>5 k. オープン リーク弁 STM 超高真空容器の圧力をゆっくりと増加 2 × 10-10 mbar にサンプルの温度を下げます。 注: シールドのシャッター ポイント注入の管を通して超高真空容器に水の分子の流れ。シャッターと (シールド) のサンプル間の距離は、約 6 cm です。STM 室の基本の圧力は、7 × 10-11 mbar より優れています。成膜速度は 0.01 二重 min-1についてです。</li>
		<li>シャッターを開きます。1 分 Au サポート NaCl 表面に水の分子を投与します。シャッターとリーク弁を閉じます。</li>
		<li>STM を用いた Au サポート NaCl(001) 表面における水分子のカバレッジを確認します。分離水モノマー フォーム サンプル表面 (図 1c)。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 塩素終端の先端の準備
<ol><li>電気化学的エッチング タングステン (W) チップを作製します。<ol>
<li>0.3 mm W 線 3 Mol/L 水酸化ナトリウム浸漬長約 2 mm エッチング ソリューションを配置します。</li>
		<li>NaOH 溶液に挿入されるプラチナ リング電極に関して W ワイヤーに潜在的な 5 V dc を適用します。</li>
		<li>中断された W ワイヤーが落ちたときは、エッチング プロセスを停止します。蒸留水やエタノールとエッチング W ヒントをクリーンアップします。スキャナーに W ヒントを転送します。 注: 電気化学的エッチング W ヒントは、交換の前に 1 年間使用できます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>電圧パルス (2-10 V) を適用し、制御手順をクラッシュ (0.25 0.4 nm) STM 探針 NaCl 表面の原子の塩素原子が解決されるまでに。 注: au (111) 表面の清浄地域の STM 探針でつついては。</li>
	<li>STM 探針を (図 3、) 1 つの Cl 原子の中心に置きます。V のセット ポイントを持つ近接で裸 STM 探針 NaCl 表面に近いをもたらす 5 mV と私を = = 5 n (図 3b)。</li>
	<li>オリジナルのセット ポイント (図 3c) にヒントを撤回し、同じエリアをスキャンします。改良された解像度と NaCl (図 3d 電子) の STM 像の欠落している Cl 原子 Cl ヒントの入手を確認してください。 注: 失敗した場合時折場合、たとえば、Cl 原子は STM に転送または複数の Cl/Na 原子吸着チップ。このような場合は、2.2 2.5 手順を繰り返します。</li>
</ol>3. 軌道イメージング水モノマーの
<ol><li>STM 探針電圧パルス (2-10 V) を形成し、クラッシュを制御 (0.25 0.4 nm) プロシージャ。</li>
	<li>10 NaCl(001) 表面に吸着した水分子をスキャン 5 K で 10 nm フレームによって nm</li>
	<li>1 つの個々 の水モノマーに焦点を当てるし、ズームインします。体系的な方法で、バイアスの機能として水モノマーをスキャン (-400-400 mV) とトンネル電流 (50-300 pA)。 注: 裸 STM 探最も高い占められたと (ホモ)、正と負のバイアス、それぞれ22に水の最も低い専有されていない (LUMO) 分子軌道が表示されます。一度先端が Cl で終わる、唯一ヒトが現れる (図 4、)、および LUMO 機能がアクセス可能なバイアスの範囲にわたって観測されていない (-400 から 400 mV mV)。大きなバイアス電圧下でも水の分子は振動励起による安定できません。</li>
</ol>4. 単一分子の振動分光
<ol><li>
デジタル ロックで、バイアスの分光モジュール (Nanonis 電子コント ローラー) のセットアップ
	<ol>
<li>
バイアス分光モジュールのセットアップ:現在を選択 LIX1 (ディ ・ dV スペクトル信号)、および LIX2 (d2私 dV2スペクトル信号) チャンネル。50 ms と設定時刻を設定、統合時間と滑らかなスペクトルを取得する掃引回 300 さんとして積分時間は増加します。異なった探針高さでバイアスの分光を Z オフセットを調整します。Z コント ローラー設定を保持がロックインが測定中に実行されるかどうかを確認します。 注:設定時間が定義として: バイアスの変更による一時的な影響を避けるためにデータを取得する開始する前に、次のレベルにバイアスを変更した後に待機する時間。統合時間を定義: その中にデータを取得し、平均時間。</li>
		<li>
ロックでモジュールの設定 注: 走査型トンネル分光法、ディ ・ dV と d2私/dV2スペクトル最初の復調でロックイン アンプを同時に使用して取得し、第 2 高調波のトンネルの現在、それぞれ。<ol>
<li>バイアスを調節して、現在の復調します。5-7 mV として、数百 Hz、変調振幅変調周波数を設定します。セット ポイント周波数と対応する第 2 高調波周波数で機械・電子ノイズがないことを確認します。</li>
			<li>
最初の高調波の位相を設定:Z コント ローラー モジュールに切り替えます。10 nm、フィードバックをオフにするには、ヒント リフトを設定します。ロックのモジュールに切り替えるし、ロックのボタン (緑色) をオンにします。オートは、最初の高調波位相し、位相を記録。自動位相の少なくとも 5 回を繰り返し、平均を取る。接合部の位相を得る平均の段階から 90 ° を引きます。</li>
			<li>
第二高調波の位相を設定:STM 探針 au (111) 基板上の位置し LIX 1 チャネルの選択対 1.5-1.5 V からバイアス分光掃引を開始、機能、Dy/dx 一緒にディ ・ dV スペクトルの微分を示します。スペクトルの顕著なピーク機能を検索し、バイアスとして対応するエネルギーを設定します。ロックのオン、トンネルで STM システムを保ちます。少なくとも 5 回の第 2 高調波自動フェーズをクリックし、平均を取る。 注: 第 2 高調波信号は通常非常に弱いので、位相が大きく変動します。信号の強度を高める先端の高さを小さくと、フェーズの変動にはるかに小さいなります (ある程度) と第二高調波の位相がより正確になります。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>
D2O モノマーのチップ増強 IETS
	<ol>
<li>V = 100 mV の設定ポイントで Cl 先端水モノマーをスキャン = 50 pa.</li>
		<li>NaCl 面上 Cl チップを置き、バック グラウンド信号としてバイアス分光法を取る。水モノマーの Cl 先端を位置し、バイアス分光掃引を開始します。</li>
		<li>場合はディ ・ dV と d2私/水の dV2スペクトルは特徴のない、背景 NaCl 表面 (図 4c dの青の曲線) に従ってください。探針高さを小さくには、振動機能 (図 4c dの赤いカーブ) のスペクトルに現れるまでのオフセットの Z をチューニングします。 注: 長い積分時間 (1 秒 ~) IETS 測定用複数スイープを必要とします。D2O 水モノマー、設定バイアス範囲-360 から 360 mV mV。H2O/HOD 水モノマー、-475 からバイアスを掃引する 475 mV mV。D2O、H2O、HOD と比較すると、水モノマーより簡単に邪魔もスイープ距離 IETS 測定中です。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
H 接着強さ
	<ol>
<li>手順 4.2.2-4.2.3 を繰り返し、水モノマーの伸縮モードに集中するバイアス掃引範囲を調整します。水 D2O、H2O、HOD の IETS を提示し、 23で説明。</li>
		<li>水素結合を OH 伸縮振動周波数 (無料の OH 伸縮エネルギー) を基準にしてこの実験式の赤方偏移から変換することによって水素結合エネルギーを得る。 ΔH = 1.3 × √Δv (1) 注: ΔH は水素結合エネルギー、kJ/mol;Δvは cm-1にストレッチ モード、オハイオの赤方偏移です。による meV に水素結合の強さの単位を変換: 1 kj/mol = 10.4 meV/アトム。数量 Δvが要因によって掛けられるべき、ストレッチ モード OD に式 1 を適用する: v(OH)/ v(OD) = v(オハイオ州) とv(OD) がオハイオ州および自由の HOD 分子の周波数をストレッチ OD 1.3612それぞれ。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. 分子操作
<ol><li>
水の四量体の構築 (図 5、)
	<ol>
<li>4 水モノマーを含む領域をスキャンします。V = 100 mV の設定ポイントで単量体の上に Cl 先端を位置 = 50 pa.V = 10 mV の設定点までの高さが低く先端水相互作用を強化する 150 pA を =。</li>
		<li>あらかじめデザインされた軌道に沿って Cl ヒントを移動します。初期のセット ポイントに先端を撤回し (V = 100 mV、私 = 50 pA)、水二量体が形成されていることを確認する同じエリアを再スキャンしています。</li>
		<li>水三量体、四量体を形成するステップ 5.1.1-5.1.2 を繰り返します。 注: 上記の操作プロセスは、Nanonis コント ローラーによって実現できる (スキャン コントロールに従って私モジュール)。スキャン コントロール フォローのセットアップ私のモジュール。 バイアス: 10 mV 速度: 500 pm/秒 Z ctrl Setpoint: 150 pA Z ctrl キーのオンオフを切り替える: 緑 待機時間: 1 秒 電流利得: LN 10 ^9 パス: レコード ボタンをクリックして、画像上に設計された軌跡を描画し、停止ボタンをクリックします。 実行ボタンをクリックし、STM 探針が移動の手順で setpoint であらかじめデザインされた軌道に沿って私モジュール。水モノマーを移動しない場合の操作中に (小さいバイアス、大きい電流) 先端の高さが低きます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
カイラリティの水四量体の切り替え (図 6)
	<ol>
<li>Cl チップで水四量体をスキャンします。V = 5 mV にセット ポイントを変更私 = 5 pA と水四量体の中心から少し先端を位置します。</li>
		<li>Z コント ローラー モジュール Z コント ローラーはオフに先端を持ち上げるように距離を定義 (例えば先端を持ち上げる:-230 pm)。Z コント ローラーのフィードバックをオフにします。水四量体に近いヒントをもたらす (~ 230 pm)。</li>
		<li>その四量体が 2 つの水素結合カイラリティ間可逆的な相互変換を受けているを示す 2 つの異なるレベルが表示されます現在のトレースを記録します。</li>
		<li>高いレベルでの現在のまま、Z コント ローラーのフィードバックに切り替えます。元のセット ポイントに先端を撤回 (V = 5 mV、私 = 5 pA)。V = 10 mV のセット ポイントと水テトラマーをスキャンし = 100 pA 水四量体のカイラル状態を確認します。</li>
		<li>水四量体高の現在のレベルでの対応するカイラル状態を確認する手順 5.2.1-5.2.4 の少なくとも 10 回を繰り返します。</li>
		<li>手順 5.2.1-を繰り返す 5.2.4 少なくとも 10 倍を残すが、現在低レベル水四量体の対応するカイラル状態を確認します。</li>
		<li>数百の切り替えイベントが含まれている 20 分間トンネルのトレースを記録します。</li>
		<li>四量体で、それぞれ現在のトレースの低、高レベルで過ごした時間の分布をプロットします。</li>
		<li>指数関数的減衰 (図 7) に配布を合わせてください。定数装着時間を得る。反転スイッチングの歩留まりに時定数です。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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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>
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プローブの内部構造、ダイナミクス、および水素の自由度に特に注意を払って、固体表面の吸着水分子の振動分光法にいくつかの実験手順は非常に重要であるが次の段落で説明します。
2 つの重要なステップに基づく水の分子軌道イメージングを実現します。まず、NaCl 絶縁膜を分離する Au 基板から電子的に水第 2 軌道ゲーティングの STM 探針の先端水結合による効果。Au (111) 基板上の二層塩化ナトリウム膜を成長し、au (111) 基板の温度は約 290 k. をとどまるべきであります。基板の温度が低く、フラクタル構造のフォーム、または塩化ナトリウム島のサイズが小さすぎます。高い温度は厚い NaCl 島の形成につながる、従ってサンプルの実施に悪いなります。ヒトだけがヒトとの Pz軌道間の強い結合により検出可能な高選択的塩素終端の先端の軌道ゲーティングは HOMO と LUMO の両方が裸先端が鋭くないと視覚化する可能性があることを言及する価値があります。Cl のヒント。空間的分子の幾何学的構造と分子軌道はロックされているので水分の O H 方向をイメージング<su...

水の固体材料表面との相互作用の異質触媒作用, 光電, 電気化学, 腐食と潤滑らなどのさまざまな表面反応過程に関与しています。1,2,3一般に、界面の水、分光・回折を調査する手法が使われます赤外・ ラマン分光法など和周波発生 (SFG)、x 線回折装置 (XRD)、核磁気共鳴 (NMR)中性子散乱4,5,6,7,8。ただし、これらのメソッドは、空間分解能、スペクトル広帯域化と平均化効果の制限に苦しみます。
STM は、サブオングスト空間分解能、原子操作と単結合振動感度9,10、11,12を組み合わせたこれらの制限を克服するために有望な技術,13,14. STM この世紀の初めには、構造と固体表面3,15,16,17、上の水の動態を調査に広く適用されています。 18,19,20。また、STM に基づく振動分光法は二次微分微分コンダクタンスから取得でした (d2私/dV2)、非弾性電子トンネル分光法 (IETS) としても知られています。しかし、内部構造、すなわち水素結合、方向性を解決し、水の振動分光による信頼性の高いを取得まだ挑戦しています。主な困難はある水はそのフロンティア軌道は EFから遠く離れている閉じるシェル分子、従って STM 探針から電子ことができます貧しい信号対雑音比につながる水の分子共鳴状態にトンネルほとんど分子イメージングと分光法。
Au サポート NaCl(001) 薄膜に吸着した水 Cl 終了ヒント (図 1、)、5 K で基本圧力と超高真空 (UHV) 環境で実行されると STM による原子スケール調査のための理想的なシステムを提供します。8 × 10-11 mbar より。一方で、NaCl 絶縁膜は、水のネイティブ フロンティア軌道が保持され、分子の共鳴状態に存在する電子の有効期間が延長されるので Au 基板から電子的に水分子を分離します。その一方で、STM 探針が効果的にヒント水結合、特に先端は Cl 原子修飾を介した EFに向けた水のフロンティア軌道チューニングできます。これらの重要なステップは、高分解能軌道イメージングおよび水モノマーとクラスターの振動分光法を有効にします。さらに、水の分子は負荷電の Cl-ヒントと水の強力な静電的相互作用のための制御された方法で操作できます。
本報告では、サンプルと stm 観察の Cl 終了ヒントの準備手順はそれぞれ 1 と 2 のセクションで詳細に説明しました。セクション 3 ではイメージング、水モノマーおよび四量体の O H 方向性が解決される軌道をについて説明します。チップ増強 IETS は酸素・水素の伸張の赤方偏移から高精度単結合の制限で水の分子の振動モードと水素結合強度の測定の検出を可能にする、セクション 4 で導入されました。水の頻度。セクション 5 では、水テトラマーを構築して制御チップ操作によって切り替えることができる方法を示します。軌道イメージング、分光、および操作の手法に基づいて、同位体置換実験は、量子トンネルとゼロ点の動きなどの界面の水のプロトンの量子的性質を調査する実行できます。

<table><tbody><tr><td>Au(111) 単結晶</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>水、重水素減少&nbsp;</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>195294</td><td></td></tr><tr><td>酸化重水素&nbsp;</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>364312</td><td></td></tr><tr><td>密閉型ガラスUHVアダプター</td><td>MDC真空製品</td><td>46300</td><td></td></tr><tr><td>ダイヤフラムシールバルブ</td><td>任意の</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>ベローズシールバルブ</td><td>任意の</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>リークバルブ</td><td>カート・J・レスカー&nbsp;</td><td></td><td></td>NA</tr><tr><td>走査型トンネル顕微鏡</td><td>CreaTec</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>電子コントローラー。</td><td>ナノニス&nbsp;</td><td></td><td>NA</td></tr><tr><td>タングステンワイヤー</td><td>任意の</td><td></td><td>直径:0.3 mm、純度:99.95%</td></tr></tbody></table>

構造と走査型トンネル顕微鏡および分光法による界面の水のダイナミクスを調べる

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

水/固体界面の構築と多くの環境、生物物理、および技術プロセスで重要な役割を再生します。内部構造を解決して固体表面上に吸着した水分子の水素結合 (水素結合) ダイナミクスをプローブ光の質量と水素のサイズが小さいため大きな挑戦に残る水の科学の根本的な問題であります。走査型トンネル顕微鏡 (STM) は、サブオングスト空間解像度、単結合振動感度、原子・分子操作の機能のおかげで、これらの問題を攻撃するための有望なツールです。Cl 終了ヒントと水分子その場でAu (111) に投与により作製したサンプルから成っている設計の実験的システム-NaCl(001) 面をサポートします。水分子の本質的なフロンティア軌道が保持されますので、NaCl 絶縁膜は電子金属基板から水を分離します。Cl チップ先端水結合によるフェルミ準位 (EF) の近くに水の軌道をゲートし同様、1 つの水の分子の操作が容易になります。本稿は、submolecular 分解能イメージング、分子・原子の操作、および単一結合界面の水の振動分光学の詳細な方法を紹介します。これらの研究は、原子スケールで H 結合系を調査するための新しいルートを開きます。

図 1STM の実験装置の概略図を示します。まず、au (111) 基板はスパッタリングと超高真空チャンバーのサイクルをアニーリングによって掃除されます。きれいな au (111) サンプルは、表面層の原子が、hcp とヘリンボーン構造 (図 1bの差込み) を形成する fcc サイトを占める 22 × √3 再構成表面を示します。生理食塩水が au (111) 基板上蒸発層諸島 (図 1b) を形成します。ガスライン (図 2) を Au がサポート NaCl(001) 表面に水の分子を投与し、分離水モノマーは NaCl 諸島 (図 1c) ...

ここでは、構造と界面の水 submolecular 分解能イメージング、分子操作、および単一結合振動分光法の観点から、原子スケールでのダイナミクスを検討するプロトコルを提案します。

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

この実験の全体的な目標は、サブ分子分解能イメージング、分子操作、および単結合振動分光法を使用して、界面水の構造とダイナミクスを原子スケールで調査することです。この手法は、水の水素結合や方向性の同定、固体表面に示される水分子の水素結合ダイナミクスや振動分光法の解明など、水科学の根本的な課題を解くのに役立ちます。この手法の主な利点は、STMがサブオングストローム空間分解能、原子操作、および単結合振動感度の能力を兼ね備えていることです。表層水の構造、ダイナミクス、核量子効果に関する洞察を提供するだけでなく、閉じ込められた水、バックアイ、多層水、水水素システムなど、より複雑で現実的な水素結合システムにも適用できます。まず、付属のテキストプロトコルに従って、アルゴンイオンスパッタリングとその後のアニールのサイクルを使用して金111単結晶を洗浄します。金結晶の表面に塩化ナトリウムを堆積させ、STMセットアップのスキャンステージに移します。標準的なSTM技術を使用して、金111基板上の二重層塩化ナトリウム001アイレンズのカバレッジとサイズを確認します。結果はここに示すようなものになるはずです。次に、凍結、ポンプ、解凍のサイクルを使用して水を精製し、残っている不純物を取り除きます。ガスラインをマイナス5パスカルの10にポンプで送り、次に液体窒素で液体水を凍結します。次に、ベローズシールバルブを閉じ、ガスラインを真空下に置きます。次に、ダイヤフラムシールバルブを開き、水蒸気をガスラインに充填します。次に、サンプルの温度を5ケルビンに下げます。リークバルブをゆっくりと開くと、超高真空STMチャンバーの圧力が10のマイナス10ミリバールの2倍に増加します。次にシャッターを開けます。金で支持された塩化ナトリウムの表面に水分子を1分間投与します。次に、シャッターとリークバルブを閉じます。この時点で、標準的なSTM技術を使用して、表面上の水分子の被覆率を確認します。サンプル表面に分離された水モノマーが見られることを期待してください。まず、電気化学的にエッチングされたタングステンチップを作製し、3モルの水酸化ナトリウムでエッチングした後、付属のテキストプロトコルに記載されているように蒸留水とエタノールを使用して洗浄します。次に、塩化ナトリウム表面の原子状塩素原子が分解されるまで、STMチップに電圧パルスと制御されたクラッシュ手順を印加します。次に、STMチップを塩素原子の1つの中心に置き、裸のチップをセットポイントに近接して塩化ナトリウム表面に近づけます。次に、先端を元の設定点まで引っ込めて、同じ領域をスキャンします。こて先に塩素原子が付着していることを確認するために、解像度が向上した分と欠落している塩素原子の両方をSTM画像で可視化します。まず、バイオスペクトロスコープモジュールを設定します。電流、微分コンダクタンス、微分コンダクタンスチャネルの導関数を選択します。次に、設定時間を 50 ミリ秒に、積分時間を 300 ミリ秒に調整します。分光トンネル分光法と非弾性電気トンネル分光法は、トンネル電流の第1高調波と第2高調波をそれぞれ変調することにより、ロックインアンプを使用して同時に取得されます。必要に応じて積分時間とスイープ時間を増やして、滑らかなスペクトルを取得します。次に、Zオフセットを調整して、さまざまな先端の高さで生物分光法を行います。次に、ロックインを開き、バイアスを変調し、電流を復調します。変調周波数を数百ヘルツに設定し、変調振幅を5〜7ミリボルトに設定します。変調周波数を設定した後、設定点周波数と対応する第2高調波周波数に機械的および電子的なノイズがないことを確認してください。最初の高調波位相を設定するには、まずZコントローラーモジュールに切り替えます。チップリフトを10ナノメートルに設定し、フィードバックをオフにしてから、ロックインモジュールに切り替えてロックインボタンをオンにします。最初の高調波自動位相をクリックし、位相を録音します。自動フェーズを少なくとも 5 回繰り返し、平均を取ります。次に、平均化された位相から90度を差し引いて、接合の位相を求めます。次に、第2高調波位相を設定します。これを実現するには、STMチップを金基板上に置き、マイナス1ボルトから1ボルトへのバイオスペクトロスイープを開始します。次に、微分コンダクタンスチャネルLI X 1と、DVスペクトル上のDIの導関数を示す関数dY/dXを選択します。スペクトル内の顕著なピーク特徴を見つけ、対応するエネルギーをバイアスとして設定します。次に、ロックインをオンにし、STMシステムをトンネリングモードに保ちます。第2高調波自動位相を少なくとも5回クリックし、平均を取ります。まず、塩素原子の先端で水モノマーをスキャンします。次に、先端を塩化ナトリウム表面に置き、バイオスペクトロスコープをバックグラウンドシグナルとして使用します。次に、先端を水モノマーに置き、バイオスペクトロスコープのスイープを開始します。水のdI / dVと2次微分スペクトルに特徴がない場合は、背景の塩化ナトリウムコーティング表面をたどり、振動の特徴がスペクトルに現れるまでZオフセットを調整して先端の高さを下げます。水テトラマーの構築を開始するには、まず 4 つの水モノマーを含む領域をスキャンし、モノマーの上に塩素チップを V の設定値 100 ミリボルト、I が 50 ピコアンペアに等しい位置に配置します。電圧が10ミリボルト、電流が150ピコアンペアになるように高さを下げます。これにより、先端の水との相互作用が強化されます。次に、事前に設計された軌道に沿って塩素原子の先端を動かします。次に、先端を初期設定点まで引っ込め、同じ領域を再スキャンして、水二量体が形成されていることを確認します。このプロセスを繰り返して、水三量体、最終的には四量体が形成されます。四量体には、2つの縮退キラル状態が含まれています。反時計回り、時計回りのHボンデッドループ。塩素原子末端の先端が下がると、四量体が時計回りと反時計回りの状態の間で変化すると、代表的な電流が跳ね返ります。先端を元の高さまで引っ込めると、ここに示されている四量体は反時計回りの状態のままになります。時計回りと反時計回りのスイッチングレートは、電流対時間トレースから抽出して、四量体の寿命分布を示すことができます。時計回りの四量体は、指数関数的な減衰によって適合させることができます。ここでは、四量体におけるプロトン移動のメカニズムを探るために、キラリティスイッチングに対する完全同位体置換および部分同位体置換の影響について説明します。驚くべきことに、4つの水四量体のキラリティスイッチング速度は、単一の水分子を酸化重水素に置き換えることによって大幅に減少します。4つの酸化重水素四量体とほぼ同じレベルまで。マニピュレーションと振動分光法の手順を実行する際には、STMチップを単一の塩素原子で機能化することを忘れないようにすることが重要です。この技術は、水素結合ネットワークの詳細なトポロジーと水クラスター内の陽子の量子運動を原子スケールで探索するための独創的な方法を表面標識に提供します。このビデオを見れば、オプトイメージングによる水素結合の方向性の特定方法について十分に理解できるはずです。また、振動分光法を単一結合の限界まで下げる方法と、制御された方法で水分子を操作する方法も理解する必要があります。

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Research

JoVE Journal

Chemistry

化学

多種多様な単一分子をAFMチップに共有結合するプロトコールが提示されます。これらの分子が固体支持体および生体界面に付着力および自由エネルギーを決定するための手順および例が提供される。...

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この作業は、水溶液中のタンパク質の生体分子のその場での飛行時間型二次イオン質量分析のためにマイクロチャネルに液体ハンドリング及び試料導入のためのプロトコルを示します。...

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私たちは、モーションキャプチャシステムと完全に没入型のバーチャルリアリティゴーグルを使用して、実験者の手によって3Dで駆動される走査型プローブ顕微鏡の先端を使用して、金属表面上の個々の有機分子の正確な操作を実演します。...

3Dバーチャルリアリティのインターフェイスを持つ走査型プローブ顕微鏡を介した単一分子のハンド制御された操作

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その場で液体の SEM を用いた水中のベーマイト粒子のキャラクタリゼーション

走査型トンネル顕微鏡を用いたシリコン中のドーパント原子のナノ秒分解電荷ダイナミクスを観察するすべての電子方法を示す.

すべて電子ナノ秒分解走査型トンネル顕微鏡: 単一ドーパントの電荷ダイナミクスの調査を促進します。

サム周波数生成(SFG)振動分光法は、ポリマーおよび生体高分子界面で起こっている鎖立体構造の順序と二次構造変化を明らかにするのに役立ちます。...

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イメージングによる二乗平均変位(iMSD)解析をマクロピノソームに適用し、構造的および動的特性の観点から、マクロピノソームの固有の時間進化的性質を強調します。次いで、マクロピノソームは、時間不変の平均構造的/動的特性を有する細胞下構造の基準として、インスリン分泌顆粒(ISG)と比較される。...

時空間変動分光法による細胞内ナノ構造のトラッキングの構造と動特性のプロービング

本稿では、界面形態を可視化しながら界面張力と表面拡張レオロジーを同時に測定するためのマイクロテンシオメータ/共焦点顕微鏡の設計と操作について述べる。これにより、技術や生理学において重要な界面の構造と特性の関係をリアルタイムに構築することができます。...

動的界面の共焦点顕微鏡可視化のためのマイクロテンシオメータ

広帯域振動和周波数発生(VSFG)画像と明視野第2高調波発生(SHG)イメージングモダリティを取得するために、マルチモーダルで高速ハイパースペクトルイメージングフレームワークが開発されました。赤外線周波数は分子振動と共鳴するため、対称性が許容されるサンプルの微視的構造およびメゾスコピックな形態学の知識が明らかになります。...

ライン走査型振動和周波数発生顕微鏡を用いたマルチモーダル非線形ハイパースペクトルケミカルイメージング

学ぶ 走査型トンネル顕微鏡と単結合振動分光法を用いた界面水の原子スケール構造とダイナミクス。水素結合ネットワークと量子運動の詳細な解析が可能です。

構造と走査型トンネル顕微鏡および分光法による界面の水のダイナミクスを調べる

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