Проверка структуры и динамики межфазного воды с сканирование туннелирования микроскопии и спектроскопии
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
Representative Results
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?…
Offenlegungen
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% |
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).
