Badanie struktury i dynamiki wody międzyfazowej za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej i spektroskopii

Ogólnym celem tego eksperymentu jest zbadanie struktury i dynamiki wody międzyfazowej w skali atomowej przy użyciu obrazowania w rozdzielczości submolekularnej, manipulacji molekularnej i spektroskopii wibracyjnej pojedynczych wiązań. Metoda ta może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące nauki o wodzie, takie jak identyfikacja wiązań wodorowych i kierunkowości wody oraz badanie dynamiki wiązań wodorowych i spektroskopii oscylacyjnej cząsteczek wody, jak pokazano na powierzchniach ciał stałych. Główną zaletą tej techniki jest to, że STM łączy w sobie zdolność do sub-angstremowej rozdzielczości przestrzennej, manipulacji atomowej i czułości wibracyjnej pojedynczego wiązania.

Oprócz zapewnienia wglądu w strukturę, dynamikę i jądrowe efekty kwantowe wody powierzchniowej, można go również zastosować do bardziej złożonych i realistycznych systemów wiązań wodorowych, takich jak woda zamknięta, buck eyes, woda wielowarstwowa i wodne systemy wodorowe. Aby rozpocząć, postępuj zgodnie z dołączonym protokołem tekstowym, aby oczyścić monokryształ złota 111 za pomocą cykli rozpylania jonów argonu, a następnie wyżarzania. Umieść chlorek sodu na powierzchni kryształu złota, a następnie przenieś go do etapu skanowania zestawu STM.

Korzystając ze standardowych technik STM, sprawdź pokrycie i rozmiar dwuwarstwowej soczewki ocznej z chlorkiem sodu 001 na podłożu ze złota 111. Wyniki powinny wyglądać podobnie do tych pokazanych tutaj. Następnie oczyść wodę za pomocą cykli zamrażania, pompowania i rozmrażania, aby usunąć wszelkie pozostałe zanieczyszczenia.

Przepompuj przewód gazowy do 10 do minus pięciu paskalów, a następnie zamroź ciekłą wodę ciekłym azotem. Teraz zamknij zawór uszczelniony mieszkiem i pozostaw przewód gazowy pod próżnią. Następnie otwórz zawór uszczelniony membraną i pozwól, aby para wodna wypełniła się w przewodzie gazowym.

Następnie zmniejsz temperaturę próbki do pięciu kelwinów. Powoli otwórz zawór wyciekowy, aby ciśnienie w komorze STM o ultra wysokiej próżni wzrosło do dwóch razy od 10 do minus 10 milibarów. Następnie otwórz migawkę.

Dozuj cząsteczki wody na powierzchnię chlorku sodu na podłożu złota przez jedną minutę. Następnie zamknij żaluzję i zawór wyciekowy. W tym momencie sprawdź pokrycie cząsteczek wody na powierzchni za pomocą standardowych technik STM.

Spodziewaj się zobaczyć izolowane monomery wodne na powierzchni próbki. Na początek należy wytworzyć elektrochemicznie wytrawioną końcówkę wolframową, wytrawić ją w trzech molowych wodorotlenkach sodu, a następnie wyczyścić za pomocą wody destylowanej i etanolu, jak opisano w dołączonym protokole tekstowym. Następnie zastosuj impulsy napięciowe i kontrolowane procedury zderzeniowe na końcówce STM, aż atomowe atomy chloru na powierzchni chlorku sodu zostaną rozwiązane.

Następnie umieść końcówkę STM nad środkiem jednego z atomów chloru i zbliż nieosłoniętą końcówkę do powierzchni chlorku sodu w pobliżu wartości zadanej. Następnie cofnij końcówkę do pierwotnej wartości zadanej i zeskanuj ten sam obszar. Sprawdź, czy atom chloru jest przyczepiony do końcówki, wizualizując zarówno poprawioną rozdzielczość, jak i brakujący atom chloru na obrazie STM.

Aby rozpocząć, skonfiguruj moduł biospektroskopii. Wybierz prąd, przewodność różnicową, pochodną kanałów przewodności różnicowej. Następnie ustaw czas ustawienia na 50 milisekund, a czas integracji na 300 milisekund.

Spektroskopia spektroskopowa tunelowa i nieelastyczna spektroskopia elektrotunelingowa są pozyskiwane jednocześnie za pomocą wzmacniacza blokującego poprzez modulację odpowiednio pierwszej i drugiej harmonicznej prądu tunelowego. W razie potrzeby wydłuż czas integracji i czas przemiatania, aby uzyskać gładkie widma. Następnie dostosuj przesunięcie Z, aby wykonać biospektroskopię na różnych wysokościach końcówki.

Następnie otwórz blokadę, moduluj odchylenie i demoduluj prąd. Ustaw częstotliwość modulacji na kilkaset herców, a amplitudę modulacji na pięć do siedmiu miliwoltów. Po ustawieniu częstotliwości modulacji upewnij się, że nie ma szumów mechanicznych i elektronicznych przy częstotliwości zadanej i odpowiadającej jej częstotliwości drugiej harmonicznej.

Aby ustawić pierwszą fazę harmonicznej, zacznij od przełączenia na moduł Z-Controller. Ustaw podnoszenie końcówki na 10 nanometrów i wyłącz sprzężenie zwrotne, a następnie przełącz się na moduł blokady i włącz przycisk blokady. Kliknij pierwszą harmoniczną automatyczną fazę i zapisz fazę.

Powtórz fazę automatyczną co najmniej pięć razy i weź średnią. Następnie odejmij 90 stopni od uśrednionej fazy, aby uzyskać fazę skrzyżowania. Następnie ustaw drugą fazę harmoniczną.

Aby to osiągnąć, umieść końcówkę STM na złotym podłożu i rozpocznij przemiatanie biospektroskopii od minus jednego wolta do jednego wolta. Następnie wybierz kanał przewodnictwa różnicowego LI X 1 i funkcję dY / dX, które razem pokazują pochodną DI w widmie DV. Znajdź wyraźną cechę piku w widmie i ustaw odpowiednią energię jako odchylenie.

Następnie włącz blokadę i utrzymuj system STM w trybie tunelowania. Kliknij drugą fazę automatyczną harmonicznej co najmniej pięć razy i weź średnią. Aby rozpocząć, zeskanuj monomer wody za pomocą końcówki atomu chloru.

Następnie umieść końcówkę na powierzchni chlorku sodu i weź biospektroskopię jako sygnał tła. Następnie umieść końcówkę na monomerze wody i rozpocznij przemiatanie biospektroskopiowe. Jeśli widma dI/dV i drugiej pochodnej wody są pozbawione cech, po prostu podążaj za powierzchnią pokrytą chlorkiem sodu w tle, a następnie zmniejsz wysokość końcówki, dostrajając przesunięcie Z, aż w widmach pojawią się cechy drgań.

Aby rozpocząć budowę tetrameru wodnego, najpierw zeskanuj obszar zawierający cztery monomery wodne i umieść końcówkę chloru na monomerze w punkcie zadanym V równym 100 miliwoltów, a I równym 50 pikomerów. Zmniejsz wysokość, aby napięcie wynosiło 10 miliwoltów, a prąd wynosił 150 pikoamperów. Poprawi to interakcję końcówki z wodą.

Następnie przesuń końcówkę atomu chloru wzdłuż wcześniej zaprojektowanych trajektorii. Następnie cofnij końcówkę do początkowej wartości zadanej i ponownie zeskanuj ten sam obszar, aby sprawdzić, czy utworzył się dimer wody. Powtarzaj ten proces, aż utworzy się trymer wodny i ostatecznie tetramer.

Tetramer zawiera dwa zdegenerowane stany chiralne. Pętle wiązane w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara i zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Gdy końcówka zakończona atomem chloru jest obniżana, reprezentatywny prąd odbija się, gdy tetramer zmienia się między stanami zgodnymi z ruchem wskazówek zegara i przeciwnymi do ruchu wskazówek zegara.

Podczas cofania końcówki do pierwotnej wysokości, pokazany tutaj tetramer pozostawia się w stanie przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Szybkości przełączania między ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara można wyodrębnić ze śladu prądu w funkcji czasu, aby pokazać rozkład czasu życia tetrameru. Tetramer zgodny z ruchem wskazówek zegara może być dopasowany przez rozpad wykładniczy.

Aby zbadać mechanizm transferu protonów w tetramerze, opisano tutaj wpływ pełnej i częściowej substytucji izotopowej na przełączanie chiralności. Uderzające jest to, że szybkość przełączania chiralności czterech tetramerów wodnych jest znacznie zmniejszona przez zastąpienie pojedynczej cząsteczki wody tlenkiem deuteru. Prawie do tego samego poziomu co cztery tetramery tlenku deuteru.

Wykonując procedurę manipulacji i spektroskopii oscylacyjnej, należy pamiętać o funkcjonalizacji końcówki STM pojedynczym atomem chloru. Technologia ta zapewnia znakom powierzchniowym genialną metodę badania szczegółowej topologii sieci wiązań wodorowych i ruchów kwantowych protonów w klastrach wodnych w skali atomowej. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zidentyfikować kierunkowość wiązań wodorowych za pomocą obrazowania optycznego.

Powinieneś także wiedzieć, jak obniżyć spektroskopię oscylacyjną do limitu pojedynczego wiązania i jak manipulować cząsteczkami wody w kontrolowany sposób.