JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

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

Published: May 27, 2018
doi:
10.3791/57193
, , , , ,
1International Center for Quantum Materials, School of Physics,Peking University, 2Collaborative Innovation Center of Quantum Matter

Summary

Здесь мы представляем протокол для изучения структуры и динамики межфазного воды в атомной масштабе, с точки зрения submolecular резолюции изображений, молекулярные манипуляции и одного Бонд колебательной спектроскопии.

Abstract

Вода/твердых интерфейсы являются вездесущими и играть ключевую роль во многих экологических, биофизических и технологических процессах. Основополагающие вопросы воды науки, которая остается большой проблемой из-за света массы и малый размер водорода урегулирования внутренней структуры и зондирующего водорода Бонд (H-Бонд) динамики молекул воды, адсорбированные на твердых поверхностях. Сканирование, туннелирование микроскопии (СТМ) является перспективным инструментом для нападения на эти проблемы, благодаря своей возможности суб Ангстрем пространственным разрешением, сингл Бонд вибрационной чувствительности и атомной/молекулярные манипуляции. Разработанная экспериментальная система состоит из кончик Cl завершенной и образец сфабрикованы дозирования воды молекул в situ на АС (111)-поддерживает NaCl(001) поверхностей. Изоляционные пленки NaCl электронным отделить воду из металлических поверхностей, поэтому сохраняются внутренние границы орбитали молекулы воды. Cl кончик облегчает манипуляции молекул одного воды, а также стробирования орбитали воды близости уровень Ферми (E,F) через наконечник воды сцепления. В этом документе изложены подробные методы томографии submolecular резолюции, молекулярные/атомной манипуляции и сингл Бонд колебательной спектроскопии межфазного воды. Эти исследования открывают новый маршрут для изучения систем H-стружечные атомного масштаба.

Introduction

Взаимодействие воды с поверхности твердых материалов участвуют в различных процессах поверхности реакции, например несродное катализирование, photoconversion, электрохимии, коррозии и смазки и др. 1 , 2 , 3 в целом, расследовать межфазного воды, спектральные и дифракции методы широко используются, например, инфракрасных и Рамановская спектроскопия, сумма частота поколение (SFG), рентгеновская дифрактометрия (XRD), ядерный магнитный резонанс (ЯМР), нейтронного рассеяния4,5,6,,78. Однако эти методы страдает от ограничения пространственного разрешения, спектральные расширения и усреднения эффекты.

STM является перспективным технику, чтобы преодолеть эти ограничения, который сочетает в себе суб Ангстрем пространственным разрешением, атомной манипуляции и одного Бонд вибрационной чувствительности9,10,11,12 , 13 , 14. с начала этого века, STM широко применяются для изучения структуры и динамики воды на твердых поверхностях3,,1516,17, 18,19,20. Кроме того, колебательной спектроскопии, основанный на STM могут быть получены из второй производная дифференциальных туннелирования проводимости (d2я / dV2), также известный как неупругого электрона, туннелирование спектроскопии (к экзамену IELTS). Однако по-прежнему сложной урегулирования внутренней структуры, т.е. H-Бонд направленность и приобретения надежные колебательной спектроскопии воды. Главная трудность заключается в том, что вода является тесное оболочки молекулы, чьи границы орбитали находятся далеко от EF, таким образом электроны от кончика STM вряд ли может проложить туннель в молекулярных резонанс Штаты воды, приводит к плохой отношение сигнал шум Молекулярное воображение и колебательной спектроскопии.

Вода, адсорбированные на пленках Au поддерживает NaCl(001) обеспечивает идеальную систему для атомного масштаба расследования STM с Cl завершенной наконечником(рисунок 1), который проводится на 5 K в среде сверхвысокого вакуума (СВВ) с давлением в базовый лучше, чем 8 × 10-11 мбар. С одной стороны изоляционные пленки NaCl отделить молекул воды в электронном виде от субстрата Au так родной границы орбитали воды сохраняются и длительное время жизни электронов, проживающих в молекулярной резонансные состояния. С другой стороны кончик STM может эффективно настраивать граница орбитального воды к EF через наконечник воды, муфты, особенно когда кончик функционализированных с атомом Cl. Эти ключевые шаги позволяют орбитальных изображений с высоким разрешением и колебательной спектроскопии водных мономеров и кластеров. Кроме того можно манипулировать молекул воды хорошо контролируемым образом, из-за сильного электростатического взаимодействия между отрицательно заряженных Cl наконечник и воды.

В настоящем докладе процедуры подготовки образца и Cl завершенной подсказка для расследования STM подробно изложены в разделе 1 и 2, соответственно. В разделе 3 мы описываем орбитального изображений техника, в которой разрешены O-H направление воды мономера и Тетрамер. Подсказка расширение к экзамену IELTS вводится в разделе 4, который позволяет обнаруживать колебательные режимы молекул воды в сингл Бонд предел, и определение H-шелушащиеся с высокой точностью от красного смещения в кислород водорода растяжения Частота воды. В разделе 5 мы покажем, как Тетрамер воды могут быть построены и коммутируются контролируемых кончик манипуляции. Основываясь на орбитальной изображений, спектроскопии и методы манипуляции, изотопный замену экспериментов могут выполняться зонда квантовый характер протонов в межфазного воды, например квантового туннелирования и нулевые точка движения.

Protocol

Примечание: Эксперименты выполняются на молекулы воды, адсорбированные на пленке АС поддерживает NaCl(001)(рис. 1) на 5 K с сверхвысокого вакуума (СВВ) криогенных STM с электронным контроллером Nanonis. 1. изготовление экспериментальных образцов О…

Representative Results

Рисунок 1 показана схема экспериментальной установки STM. Во-первых Au(111) субстрат очищается путем распыления и отжига циклов в зале свв. Чистый образец Au(111) показывает 22 × √3 реконструированный поверхности, где атомы поверхностного слоя занима?…

Discussion

Для исследования внутренней структуры, динамики и колебательной спектроскопии молекул воды, адсорбированные на твердых поверхностях, уделяя особое внимание степеней свободы водорода, некоторые экспериментальные шаги имеют решающее значение, которое будет рассматриваются в нижесле?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа финансируется национальной ключ R & D программы под Грант № 2016YFA0300901 2016YFA0300903 и 2017YFA0205003, Национальный фонд естественных наук Китая Грант № 11634001, 11290162/A040106. Y.J. признает поддержку национальным фондом науки для выдающихся молодых ученых и Ченг Конг молодой ученый программы. J. G. признает поддержку от национальных докторской программы инновационных талантов.

Materials

Au(111) single crystal MaTeck NA
NaCl Sigma Aldrich 450006
Water, deuterium-depleted  Sigma Aldrich 195294
Deuterium oxide  Sigma Aldrich 364312
Sealed-off glass-UHV adapters MDC vacuum products 46300
Diaphragm-sealed valve any NA
Bellows-sealed valve any NA
Leak valve Kurt J. Lesker  NA
Scanning tunneling microscopy CreaTec NA
Electronic controller. Nanonis  NA
Tungsten wire any diameter:0.3 mm; purity: 99.95%
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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 surfaces. Surf. Sci. Rep. 64 (9), 381-451 (2009).
  4. Brougham, D. F., Caciuffo, R., Horsewill, A. J. Coordinated proton tunnelling in a cyclic network of four hydrogen bonds in the solid state. Nature. 397 (6716), 241-243 (1999).
  5. Andreani, C., Colognesi, D., Mayers, J., Reiter, G. F., Senesi, R. Measurement of momentum distribution of light atoms and molecules in condensed matter systems using inelastic neutron scattering. Adv. Phys. 54 (5), 377-469 (2005).
  6. Shen, Y. R., Ostroverkhov, V. Sum-frequency vibrational spectroscopy on water interfaces: Polar orientation of water molecules at interfaces. Chem. Rev. 106 (4), 1140-1154 (2006).
  7. Soper, A. K., Benmore, C. J. Quantum differences between heavy and light water. Phys. Rev. Lett. 101 (6), 065502 (2008).
  8. Kimmel, G. A., et al. Polarization- and azimuth-resolved infrared spectroscopy of water on TiO2(110): Anisotropy and the hydrogen-bonding network. J. Phys. Chem. Lett. 3 (6), 778-784 (2012).
  9. Eigler, D. M., Schweizer, E. K. Positioning single atoms with as a scanning tunneling microscope. Nature. 344 (6266), 524-526 (1990).
  10. Stroscio, J. A., Eigler, D. M. Atomic and molecular manipulation with the scanning tunneling microscope. Science. 254 (5036), 1319-1326 (1991).
  11. Stipe, B. C., Rezaei, M. A., Ho, W. Single-molecule vibrational spectroscopy and microscopy. Science. 280 (5370), 1732-1735 (1998).
  12. Ho, W. Single-molecule chemistry. J. Chem. Phys. 117 (24), 11033-11061 (2002).
  13. Repp, J., Meyer, G., Stojkovic, S. M., Gourdon, A., Joachim, C. Molecules on insulating films: Scanning-tunneling microscopy imaging of individual molecular orbitals. Phys. Rev. Lett. 94 (2), 026803 (2005).
  14. Weiss, C., Wagner, C., Temirov, R., Tautz, F. S. Direct imaging of intermolecular bonds in scanning tunneling microscopy. J. Am. Chem. Soc. 132 (34), 11864-11865 (2010).
  15. Verdaguer, A., Sacha, G. M., Bluhm, H., Salmeron, M. Molecular structure of water at interfaces: Wetting at the nanometer scale. Chem. Rev. 106 (4), 1478-1510 (2006).
  16. Michaelides, A., Morgenstern, K. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces. Nat. Mater. 6 (8), 597-601 (2007).
  17. Feibelman, P. J. The first wetting layer on a solid. Phys. Today. 63 (2), 34-39 (2010).
  18. Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. A molecular perspective of water at metal interfaces. Nat. Mater. 11 (8), 667-674 (2012).
  19. Kumagai, T. Direct observation and control of hydrogen-bond dynamics using low-temperature scanning tunneling microscopy. Prog. Surf. Sci. 90 (3), 239-291 (2015).
  20. Maier, S., Salmeron, M. How does water wet a surface. Acc. Chem. Res. 48 (10), 2783-2790 (2015).
  21. JoVE Science Education Database. . Essentials of Organic Chemistry. Degassing Liquids with Freeze-Pump-Thaw Cycling. JoVE. , (2017).
  22. Guo, J., et al. Real-space imaging of interfacial water with submolecular resolution. Nat. Mater. 13 (2), 184-189 (2014).
  23. Guo, J., et al. Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling. Science. 352 (6283), 321-325 (2016).
  24. Meng, X., et al. Direct visualization of concerted proton tunnelling in a water nanocluster. Nat. Phys. 11 (3), 235-239 (2015).
  25. Thuermer, K., Nie, S. Formation of hexagonal and cubic ice during low-temperature growth. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110 (29), 11757-11762 (2013).
  26. Shiotari, A., Sugimoto, Y. Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy. Nat. Commun. 8, (2017).
  27. Terada, Y., Yoshida, S., Takeuchi, O., Shigekawa, H. Real-space imaging of transient carrier dynamics by nanoscale pump-probe microscopy. Nat. Photonics. 4 (12), 869-874 (2010).
  28. Yoshida, S., et al. Probing ultrafast spin dynamics with optical pump-probe scanning tunnelling microscopy. Nat. Nanotechnol. 9 (8), 588-593 (2014).
  29. Mamin, H. J., et al. Nanoscale nuclear magnetic resonance with a nitrogen-vacancy spin sensor. Science. 339 (6119), 557-560 (2013).
  30. Staudacher, T., et al. Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5-nanometer)3 sample volume. Science. 339 (6119), 561-563 (2013).
  31. Aslam, N., et al. Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution. Science. 357 (6346), 67-71 (2017).

Tags

Scanning Tunneling MicroscopySTMInterfacial WaterHydrogen BondVibrational SpectroscopyWater StructureWater DynamicsSurface WaterAtomic ManipulationConfined WaterMultilayer Water

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Guo, J., You, S., Wang, Z., Peng, J., Ma, R., Jiang, Y. Probing the Structure and Dynamics of Interfacial Water with Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy. J. Vis. Exp. (135), e57193, doi:10.3791/57193 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image