Проверка структуры и динамики межфазного воды с сканирование туннелирования микроскопии и спектроскопии

Общая цель этого эксперимента — исследовать структуру и динамику межфазной воды на атомном уровне с помощью визуализации с субмолекулярным разрешением, молекулярных манипуляций и односвязной вибрационной спектроскопии. Этот метод может помочь ответить на фундаментальные вопросы науки о воде, такие как определение водородной связи и направленности воды, а также исследование динамики водородных связей и вибрационной спектроскопии молекул воды, как показано на твердых поверхностях. Основное преимущество этого метода заключается в том, что STM сочетает в себе возможность субангстремового пространственного разрешения, атомных манипуляций и вибрационной чувствительности к одиночной связи.

Помимо понимания структуры, динамики и ядерных квантовых эффектов поверхностных вод, он также может быть применен к более сложным и реалистичным системам водородных связей, таким как замкнутая вода, оленьи глаза, многослойная вода и водные водородные системы. Для начала следуйте прилагаемому текстовому протоколу по очистке монокристалла золота 111 с использованием циклов распыления ионов аргона и последующего отжига. Нанесите хлорид натрия на поверхность кристалла золота, а затем перенесите его на этап сканирования установки STM.

Используя стандартные методы STM, проверьте покрытие и размер двухслойной линзы глаза из хлорида натрия 001 на подложке из золота 111. Результаты должны выглядеть примерно так, как показано здесь. Затем очистите воду с помощью циклов замораживания, насоса, размораживания для удаления любых оставшихся загрязнений.

Накачайте газовую магистраль до 10 до минус пяти паскалей, а затем заморозьте жидкую воду с жидким азотом. Теперь закройте сильфонный герметичный клапан и оставьте газовую магистраль под вакуумом. Затем откройте мембранный герметичный клапан и дайте водяному пару заполнить газовую магистраль.

Затем уменьшите температуру образца до пяти кельвинов. Медленно откройте клапан утечки, чтобы давление в сверхвысоковакуумной камере STM увеличилось в два раза по 10 до минус 10 миллибар. Далее откройте затвор.

Дозируйте молекулы воды на поверхность хлорида натрия на золотой основе в течение одной минуты. Затем закройте жалюзи и клапан утечки. На этом этапе проверьте покрытие молекул воды на поверхности с помощью стандартных методов СТМ.

Ожидайте увидеть изолированные водные мономеры на поверхности образца. Для начала изготовьте электрохимически вытравленный вольфрамовый наконечник, протравите его в трех молярах гидроксида натрия, а затем очистите его с помощью дистиллированной воды и этанола, как описано в сопроводительном текстовом протоколе. Затем подайте импульсы напряжения и управляемые процедуры разрушения на наконечник STM до тех пор, пока атомарные атомы хлора на поверхности хлорида натрия не растворятся.

Затем поместите наконечник STM над центром одного из атомов хлора и поднесите оголенный наконечник ближе к поверхности хлорида натрия в непосредственной близости от заданного значения. Затем втяните наконечник в исходное заданное значение и отсканируйте ту же область. Убедитесь, что атом хлора прикреплен к наконечнику, визуализировав как улучшенное разрешение, так и отсутствующий атом хлора на изображении STM.

Для начала настройте модуль биоспектроскопии. Выберите ток, дифференциальную проводимость, производную от дифференциальных каналов проводимости. Затем установите время настройки на 50 миллисекунд и время интегрирования на 300 миллисекунд.

Спектральная туннельная спектроскопия и неупругая электротуннельная спектроскопия получены одновременно с помощью синхронного усилителя путем модуляции первой и второй гармоник туннельного тока соответственно. Увеличьте время интегрирования и время развертки по мере необходимости для получения гладких спектров. Затем настройте смещение по оси Z, чтобы биоспектроскопия проводилась на разных высотах зонда.

Затем откройте блокировку, модулируйте смещение и демодулируйте ток. Установите частоту модуляции в несколько сотен герц, а амплитуду модуляции — от пяти до семи милливольт. После установки частоты модуляции убедитесь в отсутствии механических и электронных шумов на заданной частоте и соответствующей частоте второй гармоники.

Чтобы задать фазу первой гармоники, начните с переключения на модуль Z-контроллера. Установите подъем наконечника на 10 нанометров и выключите обратную связь, затем переключитесь на модуль блокировки и включите кнопку блокировки. Нажмите на первую гармоническую автоматическую фазу и запишите фазу.

Повторите автоматическую фазу не менее пяти раз и возьмите среднее значение. Затем вычтите 90 градусов из усредненной фазы, чтобы получить фазу перехода. Далее устанавливаем фазу второй гармоники.

Для этого расположите наконечник STM на золотой подложке и начните биоспектроскопическое сканирование с минус одного вольта до одного вольта. Затем выбираем дифференциальный канал проводимости LI X 1 и функцию dY/dX, которые в совокупности показывают производную DI по DV спектру. Найдите заметную пиковую особенность в спектре и установите соответствующую энергию в качестве смещения.

Далее включите блокировку и удерживайте систему STM в тоннельном режиме. Нажмите на вторую гармоническую автоматическую фазу не менее пяти раз и возьмите среднее значение. Для начала отсканируйте водяной мономер с помощью наконечника атома хлора.

Затем расположите наконечник на поверхности хлорида натрия и возьмите биоспектроскопию в качестве фонового сигнала. Затем установите наконечник на водный мономер и начните биоспектроскопическое сканирование. Если спектры dI/dV и второй производной воды не имеют особенностей, просто следуйте за фоновой поверхностью, покрытой хлоридом натрия, затем уменьшите высоту зонда, настроив смещение Z, пока в спектрах не появятся вибрационные особенности.

Чтобы начать строительство тетрамера для воды, сначала просканируйте область, содержащую четыре водных мономера, и расположите хлорный наконечник на вершине мономера в заданной точке V, равной 100 милливольтам, и I равной 50 пикоамперам. Уменьшите высоту так, чтобы напряжение было 10 милливольт, а ток — 150 пикоампер. Это усилит взаимодействие вершины с водой.

Далее перемещаем наконечник атома хлора по заранее запроектированным траекториям. Затем втяните наконечник в исходное заданное положение и повторно просканируйте ту же область, чтобы проверить, образовался ли димер воды. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не сформируется тример воды и, в конечном итоге, тетрамер.

Тетрамер содержит два вырожденных хиральных состояния. Петли против часовой стрелки и по часовой стрелке H. Когда наконечник с окончанием атома хлора опускается, репрезентативный ток колеблется, когда тетрамер изменяется между состояниями по часовой стрелке и против часовой стрелки.

При втягивании наконечника на исходную высоту показанный здесь тетрамер остается в состоянии против часовой стрелки. Скорости переключения между часовой стрелкой и против часовой стрелки могут быть извлечены из кривой зависимости тока от времени, чтобы показать распределение времени жизни тетрамера. Тетрамер по часовой стрелке может быть подогнан путем экспоненциального затухания.

Для изучения механизма переноса протонов в тетрамере описано влияние полного и частичного изотопного замещения на переключение хиральности. Поразительно, что скорость переключения хиральности четырех водяных тетрамеров существенно снижается за счет замены одной молекулы воды оксидом дейтерия. Почти до того же уровня четыре тетрамера оксида дейтерия.

При выполнении процедуры манипуляции и вибрационной спектроскопии важно помнить о функционализации наконечника STM одним атомом хлора. Эта технология предоставляет поверхностным знакам гениальный метод для изучения детальной топологии сети водородных связей и квантовых движений протонов в кластерах воды в атомном масштабе. После просмотра этого видео у вас должно быть хорошее понимание того, как определить направленность водородной связи с помощью оптовизуализации.

Вы также должны понимать, как опустить вибрационную спектроскопию до одного предела связи и как управлять молекулами воды контролируемым образом.