Her presenterer vi en protokoll for å undersøke strukturen og dynamikken i interfacial vann atomic skalaen, submolecular oppløsning bildebehandling, molekylær manipulasjon og enkelt-obligasjon vibrasjonsmedisin spektroskopi.
Vann/ren grensesnitt er allestedsnærværende, og spiller en viktig rolle i mange miljømessige Biofysiske og teknologiske prosesser. Løse den interne strukturen og undersøkelser hydrogen-bond (H-bond) dynamikken molekylene adsorbert på solide flater er grunnleggende spørsmål om vann vitenskapen, som forblir en stor utfordring lys masse og liten størrelse av hydrogen. Scanning tunneling mikroskopi (STM) er et lovende verktøy for å angripe disse problemene, takket være sine evner sub-Ångström romlig oppløsning, enkelt-obligasjon vibrasjonsmedisin følsomhet og Atom/molekylær manipulasjon. Designet eksperimentelle systemet består av en Cl-terminert tips og et utvalg fabrikkert av dosering vann molekyler i situ på Au (111)-støttet NaCl(001) overflater. Isolerende NaCl filmene kople elektronisk vannet fra de mettaliske underlag, så de iboende frontier orbitalene av vannmolekyler beholdes. Cl-spissen forenkler manipulering av enkelt molekylene, samt gating orbitale vann til nærhet til Fermi-nivå (EF) via tips-vann kopling. Dette dokumentet beskriver metodene detaljert submolecular oppløsning bildebehandling, molekylær/Atom manipulasjon og enkelt-obligasjon vibrasjonsmedisin spektroskopi interfacial vann. Disse studiene åpne opp en ny rute for å undersøke H-limt systemene på atomic skalaen.
Samspillet av vann med overflater av faste stoffer er involvert i ulike overflaten reaksjon prosesser, for eksempel heterogene katalyse, photoconversion, elektrokjemi, korrosjon og smøring et al. 1 , 2 , 3 generelt for å undersøke interfacial vann, spektroskopiske og Diffraksjon teknikker brukte, som infrarød og Raman spektroskopi, sum-frekvens generasjon (SFG), røntgen Diffraksjon (XRD), kjernefysiske magnetisk resonans (NRM), Nøytron spredning4,5,6,7,8. Imidlertid er disse metodene lider av begrensning av romlig oppløsning, spektrale utvidelse og effekter i snitt.
STM er en lovende teknikk for å overvinne disse begrensningene som kombinerer sub-Ångström romlig oppløsning, atomic manipulasjon, og enkelt-obligasjon vibrasjonsmedisin følsomhet9,10,11,12 , 13 , 14. siden begynnelsen av dette århundret, STM er mye brukt for å undersøke strukturen og dynamikken i vann på solide flater3,15,16,17, 18,19,20. I tillegg vibrasjonsmedisin spektroskopi basert på STM kan hentes fra andre-deriverte differensial tunnelering konduktans (d2jeg / dV2), også kjent som uelastisk elektron tunnelering spektroskopi (IETS). Løse den interne strukturen, dvs H-bond retningen, og anskaffe pålitelig vibrasjonsmedisin spektroskopi vann er imidlertid fortsatt utfordrende. Største vanskeligheten ligger i at vann er et tett shell molekyl, som frontier orbitale er langt fra E-F, dermed elektroner fra STM spissen kan neppe tunnel i molekylær resonans USA vann, fører til dårlig signal-til-støy-forhold molekylær bildebehandling og vibrasjonsmedisin spektroskopi.
Vann adsorbert Au-støttet NaCl(001) filmer gir et ideelt system for Atom-skala etterforskning av STM med Cl-terminert tips (figur 1en), som er utført på 5 K i av beryllium-vakuum (UHV) miljø med en base trykk bedre enn 8 × 10-11 mbar. På den ene siden kople isolerende NaCl filmene vannmolekyler elektronisk fra Au underlaget så de opprinnelige frontier orbitalene vann beholdes og levetiden til elektronene bosatt i molekylær resonans staten er langvarig. På den annen side, kunne STM spissen effektivt tune frontier orbital vann mot EF via tips-vann kopling, spesielt når spissen er functionalized med en Cl atom. Disse hovedtrinnene aktiverer høyoppløselig orbital bildebehandling og vibrasjonsmedisin spektroskopi vann monomerer og klynger. I tillegg kan vann manipuleres i en godt kontrollert måte, på grunn av sterk elektrostatisk samspillet mellom negativt ladde Cl-tips og vann.
I denne rapporten er forberedelse prosedyrene for prøven og Cl-terminert spissen STM gransking beskrevet detaljert i 1 og 2, henholdsvis. I del 3 beskriver vi orbital tenkelig teknikk, som O-H retningen av vann monomer og tetramer er løst. Tips-forbedret IETS er innført i del 4, som gir mulighet for søkeverktøy vibrasjonsmedisin moduser av vannmolekyler enkelt-obligasjon grense, og fastsettelse av H-binding styrke med høy nøyaktighet med rød skift i oksygen-hydrogen strekking frekvens for vann. I del 5 viser vi hvordan vann tetramer kan være konstruert og slått av kontrollert tips manipulasjon. Basert på orbital bildebehandling, spektroskopi og manipulasjon teknikker, kan isotopanrikning substitusjon eksperimenter utføres for å undersøke kvante natur protoner i interfacial vann, som quantum tunneling og null-punktet bevegelse.
For å undersøke den interne strukturen, dynamikk og vibrasjonsmedisin spektroskopi av vannmolekyler adsorbert på solid overflater, særlig vekt frihetsgradene av hydrogen, er noen eksperimentelle trinn av avgjørende betydning, som vil bli diskutert i følgende avsnitt.
Orbital avbilding av vannmolekyler oppnås basert på to viktige trinn. Først kople isolerende NaCl filmene vannet elektronisk fra Au underlaget, andre orbital gating effekt STM tips via tips-vann kopling. For å vokse bila…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet er finansiert av National nøkkel R & D Program under Grant No. 2016YFA0300901 2016YFA0300903 og 2017YFA0205003, National Natural Science Foundation i Kina under Grant nr. 11634001, 11290162/A040106. Y.J. erkjenner støtte av National Science Fund for fremragende unge forskere og Cheung Kong unge forsker Program. J. G. anerkjenner støtte fra National postdoktor Program for Innovative talenter.
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% |