Tarama tünelleme mikroskobu ve spektroskopi ile Interfacial su dinamiği ve yapısını sondalama
Summary
Burada, interfacial su SINE kararlılık düşsel, moleküler manipülasyon ve tek-bond titreşim spektroskopisinin açısından atomik ölçekte dinamikleri ve yapısını araştırmak için bir protokol mevcut.
Abstract
Su/kalın arabirimleri her yerde vardır ve birçok çevresel, Biyofizik ve teknolojik süreçlerinde önemli bir rol oynar. İç yapısı çözme ve katı yüzeylere adsorbe su moleküllerinin hidrojen bağı (H-bond) dynamics sondalama ışık kütlesi ve hidrojen küçük boyutu sayesinde büyük bir mücadele kalır su bilimi temel sorunlardır. Mikroskobu (STM) tünel tarama alt-Ångström uzaysal çözünürlük, tek-bond titreşim duyarlılık ve Atom/moleküler düzenleme yetenekleri sayesinde bu sorunları saldıran için umut verici bir araçtır. Cl sonlandırılmış bahşiş ve su molekülleri situ Au (111) üzerine dozaj tarafından fabrikasyon bir örnek tasarlanmış deneysel sistem oluşur-NaCl(001) yüzeyler desteklenen. Su moleküllerinin iç sınır boşluklardır korunur böylece yalıtım NaCl filmleri elektronik olarak metal yüzeylerde sudan decouple. Cl-İpucu İpucu-su kaplin yoluyla su Fermi seviyesi (EF) yakınlığı için boşluklardır çoğunluğuna yanı sıra, tek su molekülleri manipülasyon kolaylaştırır. Bu yazıda detaylı Yöntem geliştirdiğinden kararlılık düşsel, moleküler/Atom işleme ve tek-bond titreşim spektroskopisinin interfacial su özetliyor. Bu çalışmalar atomik ölçekli H gümrüklü sistemleri soruşturma için yeni bir yol açmak.
Introduction
Su katı malzemelerin yüzeyleri ile etkileşimleri heterojen kataliz, photoconversion, elektrokimya, korozyon ve yağlama vd gibi çeşitli yüzey reaksiyon süreçleri söz konusu 1 , 2 , 3 genel olarak, interfacial su, Spektroskopik ve kırınım araştırmak için teknikleri yaygın olarak, kızılötesi ve Raman spektroskopisi, gibi kullanılan toplam frekans üretimi (SFG), x-ışını kırınım (XRD), nükleer manyetik rezonans (NMR), Nötron saçılma4,5,6,7,8. Ancak, bu yöntemlerin uzaysal çözünürlük, spektral genişletilmesi ve etkileri ortalama sınırlama acı.
STM alt-Ångström uzaysal çözünürlük, Atom işleme ve tek-bond titreşim duyarlılık9,10,11,12 birleştiren bu sınırlamaları aşmak için umut verici bir teknik olduğunu , 13 , 14. bu yüzyılın başından bu yana STM su katı3,15,16,17, dinamikleri ve yapısını araştırmak için kapsamlı bir şekilde uygulanmış 18,19,20. Ayrıca, titreşim spektroskopisinin STM üzerinde dayalı ikinci türev fark tünel gürültülerinden elde edilebilir (d2ben / dV2), esnek olmayan elektron spektroskopisi (daima) tünel oluşturma olarak da bilinir. Ancak, iç yapısı, yani H-bond yön, çözümleme ve güvenilir titreşim spektroskopisinin su alma hala zor. Kimin sınırın boşluklardır uzakta–dan EFolan bir yakın kabuk molekül sudur ki ana zorluk doğurur, böylece STM ucundan elektronlar pek zavallı sinyal-gürültü oranı için önde gelen suyun moleküler rezonans Birleşik Devletleri içine tünel kazabiliriz moleküler görüntüleme ve titreşim spektroskopisinin.
5 K temel bir basınç ile ultrahigh-vakum (UHV) ortamında yapılan bir Cl sonlandırılmış ipucu ile (Şekil 1bir), STM tarafından atomik ölçekli soruşturma için ideal bir sistemdir NaCl(001) Au destekli filmler üzerinde adsorbe su sağlar 8 × 10-11 mbar daha iyi. Bir yandan, yalıtım NaCl filmleri yerli sınır boşluklardır su korunur ve moleküler rezonans Devlette ikamet eden elektronlar ömrünü uzun süreli su molekülleri Au substrat üzerinden elektronik olarak decouple. Öte yandan, STM ipucu etkili bir şekilde doğru yolu ile uç-su kaplin, özellikle belgili tanımlık uç bir Cl atomu ile functionalized zaman EF su sınır orbital ayarlamak. Anahtar adımları yüksek çözünürlüklü yörünge görüntüleme ve titreşim spektroskopisinin su monomerleri ile kümeleri etkinleştir. Ayrıca, su molekülleri olumsuz ücret Cl-ipucu ve su arasındaki güçlü elektrostatik etkileşim nedeniyle iyi kontrollü bir şekilde manipüle.
Bu raporda, örnek ve STM soruşturma için Cl sonlandırılmış uç hazırlık işlemleri bölümünde 1 ve 2, ayrıntılı olarak sırasıyla özetlenmiştir. Madde 3 te, teknik, hangi O-H yön su monomer ve tetramer çözümlenmiş Imaging orbital açıklar. İpucu gelişmiş Kıskanacaksa bölümünde 4, oksijen-hidrojen germe içinde red shift üzerinden yüksek doğruluk ile tek-bond limitte su moleküllerin titreşim modları ve H-bağ gücü belirlenmesi algılanmasını sağlayan tanıttı su sıklığı. Bölüm 5, biz ne kadar su tetramer inşa edilebilir ve kontrollü ipucu manipülasyon tarafından açık gösteriyor. Yörünge görüntüleme, spektroskopi ve manipülasyon teknikleri dayalı, izotopik ikame deneyler proton interfacial suda, kuantum tünel ve sıfır noktası hareket gibi kuantum doğası soruşturma için gerçekleştirilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
İç yapısı, dinamiği ve serbestlik hidrojen, belirli dikkat katı yüzeyler üzerine adsorbe su moleküllerin titreşim spektroskopisinin soruşturma için bazı deneysel adımlar hangi-ecek var olmak çok önemli, önemlidir aşağıdaki paragraflarda ele.
Su moleküllerinin yörünge görüntüleme dayalı iki anahtar adımlar sağlanır. İlk olarak, ısı yalıtım NaCl filmleri Au substrat elektronik olarak sudan ikinci STM İpucu İpucu-su kaplin yoluyla etkisini çoğunluğuna orbit…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser ulusal anahtar R & D programı kapsamında hibe No 2016YFA0300901 2016YFA0300903 ve 2017YFA0205003, Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Çin Grant No 11634001, 11290162/A040106 altında tarafından finanse edilmektedir. Yj ayırt edici genç akademisyenler ve Cheung Kong genç bilim adamı programı desteği Ulusal Bilim Fonu tarafından kabul eder. J. G. Ulusal doktora sonrası Program yenilikçi yetenekleri için destek kabul eder.
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% |
References
- Thiel, P. A., Madey, T. E. The interaction of water with solid surfaces: Fundamental aspects. Surf. Sci. Rep. 7 (6-8), 211-385 (1987).
- Henderson, M. A. The interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects revisited. Surf. Sci. Rep. 46 (1-8), 1-308 (2002).
- Hodgson, A., Haq, S. Water adsorption and the wetting of metal surfaces. Surf. Sci. Rep. 64 (9), 381-451 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- Soper, A. K., Benmore, C. J. Quantum differences between heavy and light water. Phys. Rev. Lett. 101 (6), 065502 (2008).
- 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).
- Eigler, D. M., Schweizer, E. K. Positioning single atoms with as a scanning tunneling microscope. Nature. 344 (6266), 524-526 (1990).
- Stroscio, J. A., Eigler, D. M. Atomic and molecular manipulation with the scanning tunneling microscope. Science. 254 (5036), 1319-1326 (1991).
- Stipe, B. C., Rezaei, M. A., Ho, W. Single-molecule vibrational spectroscopy and microscopy. Science. 280 (5370), 1732-1735 (1998).
- Ho, W. Single-molecule chemistry. J. Chem. Phys. 117 (24), 11033-11061 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- Michaelides, A., Morgenstern, K. Ice nanoclusters at hydrophobic metal surfaces. Nat. Mater. 6 (8), 597-601 (2007).
- Feibelman, P. J. The first wetting layer on a solid. Phys. Today. 63 (2), 34-39 (2010).
- Carrasco, J., Hodgson, A., Michaelides, A. A molecular perspective of water at metal interfaces. Nat. Mater. 11 (8), 667-674 (2012).
- Kumagai, T. Direct observation and control of hydrogen-bond dynamics using low-temperature scanning tunneling microscopy. Prog. Surf. Sci. 90 (3), 239-291 (2015).
- Maier, S., Salmeron, M. How does water wet a surface. Acc. Chem. Res. 48 (10), 2783-2790 (2015).
- JoVE Science Education Database. . Essentials of Organic Chemistry. Degassing Liquids with Freeze-Pump-Thaw Cycling. JoVE. , (2017).
- Guo, J., et al. Real-space imaging of interfacial water with submolecular resolution. Nat. Mater. 13 (2), 184-189 (2014).
- Guo, J., et al. Nuclear quantum effects of hydrogen bonds probed by tip-enhanced inelastic electron tunneling. Science. 352 (6283), 321-325 (2016).
- Meng, X., et al. Direct visualization of concerted proton tunnelling in a water nanocluster. Nat. Phys. 11 (3), 235-239 (2015).
- 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).
- Shiotari, A., Sugimoto, Y. Ultrahigh-resolution imaging of water networks by atomic force microscopy. Nat. Commun. 8, (2017).
- 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).
- Yoshida, S., et al. Probing ultrafast spin dynamics with optical pump-probe scanning tunnelling microscopy. Nat. Nanotechnol. 9 (8), 588-593 (2014).
- Mamin, H. J., et al. Nanoscale nuclear magnetic resonance with a nitrogen-vacancy spin sensor. Science. 339 (6119), 557-560 (2013).
- Staudacher, T., et al. Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a (5-nanometer)3 sample volume. Science. 339 (6119), 561-563 (2013).
- Aslam, N., et al. Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution. Science. 357 (6346), 67-71 (2017).
