חיטוט את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים עם סריקה מיקרוסקופ מינהור וספקטרוסקופיה
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול לחקור את המבנה ואת הדינמיקה של מים פנים את המשקל האטומי, מבחינת דימות ברזולוציה submolecular, מניפולציה מולקולרית, ספקטרוסקופיה הרטט קשר יחיד.
Abstract
מים/מוצק ממשקים הם בכל מקום, תפקיד מפתח בתהליכים טכנולוגיים, biophysical סביבתיים רבים. פענוח המבנה הפנימי, בודק את הדינמיקה קשר מימן (H-בונד) של מולקולות מים הספוחה על משטחים מוצקים הן בעיות היסוד למדע מים, אשר נשאר אתגר גדול בשל האור המסה של גודל קטן של מימן. מיקרוסקופ מנהור סורק הוא כלי מבטיח לתקוף את הבעיות האלה, בזכות יכולותיו של רזולוציה מרחבית sub-Ångström, רגישות הרטט יחיד-בונד מניפולציה אטומי/מולקולרי. מערכת ניסויית מעוצב מורכב טיפ המסתיימת בקלרנית ו מדגם מפוברק על ידי מינון מים מולקולות בחיי עיר אל האיחוד האפריקני (111)-תמיכה NaCl(001) משטחים. הסרטים NaCl בידוד הזיווג אלקטרונית שבין המים מצעים מתכת, אז המסלולים הגבול הפנימי של מולקולות המים נשמרים. Cl-הטיפ מקלה על המניפולציה של מולקולות מים יחיד, וכן gating המסלולים של מים קרבתה של רמת פרמי (EF) באמצעות צימוד עצה-מים. המאמר מתאר את השיטות מפורט של הדמיה ברזולוציה submolecular, מניפולציה מולקולרית/אטומי ספקטרוסקופיה הרטט קשר יחיד של מים פנים. מחקרים אלו לפתוח מסלול חדש עבור חוקרים את המערכות בונדד H את המשקל האטומי.
Introduction
האינטראקציות של מים עם המשטחים של חומרים מוצקים מעורבים בתהליכי התגובה משטח שונים, כגון זרז הטרוגנית, photoconversion, אלקטרוכימיה, קורוזיה בויסות. ואח 1 , 2 , 3 באופן כללי, לחקור מים פנים, ספקטרוסקופיות ואת עקיפה הטכניקות משמשות, אינפרא אדום ו ספקטרוסקופיית ראמאן, סכום בתדר דור (שרפ”ג), רנטגן עקיפה (XRD), תהודה מגנטית גרעינית (NMR), נייטרון מפזרים4,5,6,7,8. עם זאת, שיטות אלה סובלים המגבלה של רזולוציה מרחבית, הרחבת ספקטרלי ממוצע של אפקטים.
ה-STM היא טכניקה מבטיח כדי להתגבר על מגבלות אלו, אשר משלבת את תת-Ångström רזולוציה מרחבית, מניפולציה אטומי, ואת הרגישות הרטט יחיד-בונד9,10,11,12 , 13 , 14. מאז תחילת המאה הזאת, STM בהרחבה הוחל לחקור את המבנה ואת הדינמיקה של מים על משטחים מוצקים3,15,16,17, 18,19,20. בנוסף, ספקטרוסקופיה הרטט המבוסס על ה-STM יכול להיות המתקבל נגזרת שנייה. מוליכות מינהור דיפרנציאלית (d2אני / dV2), המכונה גם ששינוי אלקטרון (ממסג) ספקטרוסקופית מנהור. עם זאת, פענוח המבנה הפנימי, קרי H-הקשר כיוון, ורכישת אמין הרטט ספקטרוסקופיה של מים הם עדיין מאתגר. הקושי העיקרי טמון בכך מים הוא מולקולה קרוב מעטפת, אורביטלי הגבול אשר רחוקים מן EF, ולכן האלקטרונים מהקצה ה-STM בקושי יכול מנהרה לתוך ארצות תהודה מולקולרית של מים, שמוביל יחס אות לרעש המסכן הדמיה מולקולרית ו ספקטרוסקופיה הרטט.
מים הספוחה בסרטים הנתמכות על-ידי Au NaCl(001) מספק מערכת אידיאלית עבור חקירה אטומי בקנה מידה של STM עם המסתיימת ב Cl-טיפ (איור 1), אשר מתבצע ב- 5 K בסביבה (UHV) על קוליים-ואקום עם לחץ הבסיס יותר טוב 8 × 10-11 mbar. מצד אחד, הזיווג הסרטים NaCl בידוד שבין מולקולות המים אלקטרונית מ המצע Au אז המסלולים הגבול מקורית של המים נשמרים והאריך אורך החיים של האלקטרונים המתגוררים המדינה תהודה מולקולרית. מצד שני, הקצה ה-STM ביעילות יכול לכוון את הגבול אורביטל של מים לכיוון EF באמצעות טיפ-מים, מצמד, במיוחד כאשר הטיפ הוא functionalized עם אטום Cl. השלבים מפתח מאפשרות דימות ברזולוציה מסלולית וספקטרוסקופיה הרטט של מים מונומרים ואשכולות. בנוסף, מולקולות המים יכול להיות מניפולציות בצורה מבוקרת היטב, בשל האינטראקציה אלקטרוסטטית חזק בין טעונים שלילית Cl-טיפ מים.
בדו ח זה, ההליכים הכנה של המדגם, הטיפ המסתיימת Cl לחקירה STM מתוארים בפירוט בסעיף 1 ו- 2, בהתאמה. בסעיף 3, נתאר את מסלולית הדמיה טכניקה, שבו נפתרות O-H. הכיוון של מונומר מים, tetramer. נותנת טיפ משופרת מוצג בסעיף 4, אשר מאפשר זיהוי הלטראלית של מולקולות מים-יחיד-בונד מגבלת ונחישות של כוח שטני של H עם רמת דיוק גבוהה של משמרת אדום ב מתיחה חמצן-מימן תדירות של מים. בסעיף 5, אנחנו מראים איך tetramer המים יכול להיות נבנה החליף על ידי מניפולציה עצה מבוקרת. בהתבסס על הדמיה מסלולית, ספקטרוסקופיה, טכניקות מניפולציה, ניתן לבצע החלפת איזוטרופי ניסויים כדי לחקור את הטבע קוונטית של פרוטונים במים פנים, כגון מינהור קוונטי ותנועה נקודת אפס.
Protocol
Representative Results
Discussion
כדי לחקור את המבנה הפנימי, דינמיקה ו ספקטרוסקופיה הרטט של מולקולות המים הספוחה על משטחים מוצקים, תשומת לב מיוחדת דרגות החופש של מימן, כמה צעדים ניסיוני בעלות חשיבות מכרעת, אשר יהיה דנו בפיסקאות הבאות.
ההדמיה מסלולית של מולקולות המים מושגת המבוסס על שני שלבים מרכזיים. ראשית, ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו ממומן על ידי ה-R המפתח הלאומית & D תוכנית תחת גרנט מס 2016YFA0300901 2016YFA0300903, 2017YFA0205003, הלאומי מדעי הטבע קרן של סין תחת גרנט מס 11634001, 11290162/A040106. Y.J. מאשר תמיכה על ידי קרן המדע הלאומית עבור חוקרים צעירים מכובד של צ’נג קונג צעיר מלומד תוכנית. ג’יי ג’י מאשר תמיכה פוסט-דוקטורט מהתוכנית הלאומית כשרונות חדשני.
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% |
Referenzen
- 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).
