Икосаэдрические близнецы - Icosahedral twins

Просвечивающая электронная микроскопия Изображение 5-кратно двойниковой икосаэдрической наночастицы Au.
FCC модель icotwin спроектирована вниз в 5 и 3 раза ось зоны ориентации.
Примеры цифрового обнаружения бабочек в темном поле.
Темнопольный анализ пар кристаллов двойного тетраэдра.

An икосаэдр близнец - наноструктура, возникающая при атомной кластеры. Эти кластеры имеют двадцать граней и состоят из десяти взаимосвязанных двойныхтетраэдр (галстук-бабочка) кристаллы, обычно соединенные по треугольной (например, кубический- (111) ) грани, обладающие тройной симметрией. Их образование можно рассматривать как некий атомный масштаб. самосборка.

Различные наноструктуры (например, конденсирующий аргон, атомы металлов и вирусные капсиды ) принимают икосаэдрическую форму на масштабах размеров, где поверхностные силы затмевают силы, исходящие из объема. Иногда встречается двойниковая форма этих наноструктур, например в гранецентрированных кубических (ГЦК) кластерах из атомов металла.[1] Это может произойти, когда строительные блоки под каждой из 20 граней первоначально икосаэдрического кластера (который не может заполнить пространство без дефектов) «делают дело» (поскольку отношение поверхности к объему этих граней уменьшается с размером) для преобразования в а трансляционно симметричный (например, бездефектная гранецентрированная кубическая) кристаллическая форма[2]

Причины

Когда межатомная связь не имеет сильных предпочтений по направлению, для атомов нет ничего необычного в том, чтобы тянуться к номер поцелуя от 12 ближайших соседей. Три наиболее симметричных способа сделать это: икосаэдр кластеризацией, или кристаллической гранецентрированный кубический (кубооктаэдр ) и / или гексагональной (трех-ортобикуполярный ) плотная упаковка.

Икосаэдрические устройства, возможно, из-за их немного меньшей площади поверхности, могут быть предпочтительны для небольших кластеров, например атомы благородного газа и металлов в конденсированных фазах (как жидких[3] и твердый). Однако ахиллесова пята для икосаэдрической кластеризации вокруг одной точки заключается в том, что она не может заполнять пространство на больших расстояниях поступательно упорядоченным образом.

Следовательно, объемные атомы (то есть достаточно большие кластеры) обычно вместо этого возвращаются к одной из кристаллических конфигураций плотной упаковки. Другими словами, когда икосаэдрические кластеры становятся достаточно большими, голосование объемного атома побеждает голосование поверхностного атома, и атомы под каждой из 20 граней принимают гранецентрированную кубическую пирамидальную структуру с тетраэдрическими (111) гранями. Таким образом, рождаются икосаэдрические близнецы с определенным напряжением в межфазных плоскостях (111).

Повсеместность

Икосаэдрическое двойникование наблюдали в гранецентрированных кубических металлических наночастицах, которые зародились: (i) в результате испарения на поверхности, (ii) из раствора и (iii) в результате восстановления полимерной матрицы.

Квазикристаллы находятся несвойственный структуры с дальнодействующей вращательной, но не поступательной периодичностью, которые некоторые изначально пытались объяснить как икосаэдрическое двойникование.[4] Квазикристаллы позволяют координации, не заполняющей пространство, сохраняться до масштабов большего размера. Однако они обычно образуются только тогда, когда состав (например, из двух разнородных металлов, таких как Ti и Mn) выступает в качестве антагониста для образования одной из наиболее распространенных плотноупакованных, заполняющих пространство, но сдвоенных кристаллических форм.

Заявление

Атомные кластеры благородных металлов с гранецентрированной кубической структурой являются важными нано-катализаторы для химических реакций. Одним из примеров этого является платина, используемая в автомобилях. каталитические преобразователи. Икосаэдрическое двойникование позволяет покрыть всю поверхность наночастицы гранями {111} в случаях, когда эти конкретные атомные грани проявляют благоприятную каталитическую активность.

Обнаружение

Электронная дифракция и высокое разрешение просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) визуализация - это два метода идентификации структуры икосаэдрических двойников. индивидуальный кластеры. Цифровой анализ темного поля изображений решетчатых полос показывает перспективу распознавания икосаэдрического двойникования из большинства случайно ориентированных кластеров в поле зрения микроскопа.[5]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Х. Хофмайстер (2004) «Пятикратно двойниковые наночастицы» в Энциклопедия нанонауки и нанотехнологий (изд. Х. С. Налва, Amer. Sci. Publ., Stevenson Ranch CA), т. 3, стр. 431-452 ISBN  1-58883-059-4 pdf.
  2. ^ К. Ф. Келтон Вашингтонского университета в Сент-Луисе, США, и А. Л. Грира из Кембриджского университета, Великобритания (2010 г.) Зарождение в конденсированных средах: Приложения в материалах и биологии (Elsevier Science & Technology, Амстердам) связь.
  3. ^ Келтон, К. Ф .; Lee, G.W .; Gangopadhyay, A.K .; Hyers, R.W .; Rathz, T. J .; и другие. (2003-05-15). «Первые исследования рассеяния рентгеновских лучей на электростатически левитирующих металлических жидкостях: продемонстрированное влияние локального икосаэдрического порядка на барьер зарождения». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 90 (19): 195504. Дои:10.1103 / Physrevlett.90.195504. ISSN  0031-9007.
  4. ^ Полинг, Линус (1987-01-26). «Так называемые икосаэдрические и декагональные квазикристаллы - это двойники кубического кристалла с 820 атомами». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 58 (4): 365–368. Дои:10.1103 / Physrevlett.58.365. ISSN  0031-9007.
  5. ^ Fraundorf, P .; Бишоп, К. (2013). «Эффективное обнаружение икосаэдрических двойников с помощью решетчатого изображения». Микроскопия и микроанализ. Издательство Кембриджского университета (CUP). 19 (S2): 1804–1805. Дои:10,1017 / с143192761301101x. ISSN  1431-9276.