Artigo de método

Sondagem da Estrutura e Dinâmica da Água Interfacial com Microscopia de Tunelamento de Varredura e Espectroscopia

DOI:

10.3791/57193

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27 de maio de 2018

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1International Center for Quantum Materials, School of Physics, Peking University, 2Collaborative Innovation Center of Quantum Matter

Neste artigo

Resumo

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Aqui, apresentamos um protocolo para investigar a estrutura e a dinâmica da água interfacial na escala atômica, em termos de imagem de resolução submolecular, manipulação molecular e espectroscopia vibracional de ligação simples.

Resumo

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Água/sólido interfaces são onipresentes e desempenham um papel fundamental em muitos processos ambientais biofísicos e tecnológicos. Resolvendo a estrutura interna e a dinâmica de ligação de hidrogênio (H-ligação) das moléculas de água adsorvidas sobre superfícies sólidas de sondagem são questões fundamentais da ciência da água, que continua a ser um grande desafio devido à sua massa leve e pequeno tamanho de hidrogênio. Varredura de tunelamento (STM) a microscopia é uma ferramenta promissora para atacar estes problemas, graças às suas capacidades de resolução espacial de sub-Ångström, single-bond sensibilidade vibratória e manipulação atômica/molecular. O sistema experimental concebido consiste de uma ponta de Cl-encerrado e uma amostra fabricada por dosagem água moléculas em situ para o Au (111)-suporte superfícies NaCl(001). Os filmes de NaCl isolantes eletronicamente dissociar a água das substratos metálicos, então os orbitais de fronteira intrínseca das moléculas de água são preservados. A Cl-ponta facilita a manipulação de moléculas de água único, bem como gating os orbitais de água para a proximidade do nível de Fermi (EF) através do acoplamento de ponta-água. Este artigo descreve os métodos detalhados de resolução submolecular, manipulação molecular/atômica e espectroscopia vibracional de ligação simples de água interfacial. Estes estudos abram uma nova rota para investigar os sistemas H-ligado à escala atômica.

Introdução

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As interações da água com as superfícies de materiais sólidos estão envolvidas em vários processos de reação de superfície, tais como a catálise heterogênea, photoconversion, eletroquímica, corrosão e lubrificação et al . 1 , 2 , 3 em geral, para investigar a água interfacial, espectroscópica e difração técnicas são comumente usadas, tais como infravermelho e Espectroscopia Raman, geração de frequência soma (SFG), difração de raios x (XRD), ressonância magnética nuclear (NMR), Neutron espalhamento4,5,

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Protocolo

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Nota: Os experimentos são realizados sobre as moléculas de água adsorvidas no filme NaCl(001) Au-suporte (Figura 1um) a 5 K com um STM criogênico de ultra alta-vácuo (UHV) equipado com controlador eletrônico Nanonis.

1. fabricação de amostra Experimental

  1. Limpar o Au(111) de cristal único
    1. Bomba da linha de gás à pressão de ~ 10-7 mbar e depois liberar a linha de gás com gás de Ar. Coloque através do ciclo de bomba/lave por três vezes.
      Nota: Cada ciclo de bomba/irrigue leva cerca de 30 min.
    2. Preencha a linha de gás com gás de Ar à pres....

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Resultados

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Figura 1 uma ilustra o esquema da instalação experimental do STM. Primeiro, Au(111) substrato é limpo por sputtering e ciclos de recozimento na câmara UHV. O limpa Au(111) mostra 22 × √3 superfície reconstruída, onde os átomos da camada superficial ocupam tanto o hcp e os sites de fcc formando estruturas de espinha de peixe (baixo-relevo da Figura 1b). O NaCl é evaporado no substrato Au(111), for.......

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Discussão

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Para investigar a estrutura interna, dinâmica e espectroscopia vibracional das moléculas de água adsorvida nas superfícies sólidas, com especial atenção para os graus de liberdade do hidrogênio, algumas etapas experimentais são de importância crucial, que será discutidos nos parágrafos seguintes.

A imagem orbital de moléculas de água é conseguida com base em duas etapas-chave. Primeiro, os filmes de NaCl isolantes dissociar a água eletronicamente do substrato Au, segundo o orbital gating efeit.......

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Divulgações

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Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho é financiado pelo nacional chave R & D programa sob 2017YFA0205003 e Grant No. 2016YFA0300901 2016YFA0300903, Fundação Nacional da ciência Natural, China, sob Grant n. º 11634001, 11290162/A040106. Y.J. reconhece apoio pelo fundo nacional de ciência distinto jovens estudiosos e Cheung Kong jovem erudito programa. J. G. reconhece o apoio do programa nacional de pós-doutorado para talentos inovadores.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Au(111) cristal únicoMaTeckNA
NaClSigma Aldrich450006
Água, depletado de deutério Sigma Aldrich195294
Óxido de deutérioSigma Aldrich364312
Adaptadores de vidro-UHV seladosProdutos de vácuo MDC46300
Válvula selada com diafragmaqualquerválvula selada com
qualquerde vazamento NA
Kurt J. Lesker NA
Microscopia de varredura de tunelamentoCreaTecNA
Controlador eletrônico.Nanonis NA
fio de tungstênioqualquerdiâmetro: 0,3 mm; pureza: 99,95%
fole NA válvula

Referências

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  1. Thiel, P. A., Madey, T. E. The interaction of water with solid surfaces: Fundamental aspects. Surf. Sci. Rep. 7 (6-8), 211-385 (1987).
  2. Henderson, M. A. The interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited. Surf. Sci. Rep. 46 (1-8), 1-308 (2002).
  3. Hodgson, A., Haq, S. Water adsorption and the wetting of metal surf....

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Reimpressões e permissões

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Etiquetas

Din mica de Liga es de Hidrog nioEspectroscopia Vibracional de Liga o nicaManipula o MolecularImagem de Resolu o SubmolecularForma o de Tetr mero de guaPonta Terminada em CloroNaCl 001 Suportado em Au 111Mecanismo de Transfer ncia de Pr tons

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