Nat. Commun.: 二維高密度液晶與低密度結晶固相之間的異常相變

【引言】

由于銅基催化劑在許多重要的化學反應中的廣泛應用，科研人員對CO吸附在Cu(111)上的研究具有極大的興趣。目前關于CO吸附的研究多數都集中于低覆蓋率的機制，此時CO分子之間的相互作用可以忽略不計。然而，真實的工業環境中通常是高CO壓力，CO覆蓋率增加到很大，由于CO的分子偶極矩會產生巨大的斥力，從而帶來側壓力。因此，對高密度體系中CO/Cu(111)吸附的研究具有重要的意義。

【成果簡介】

最近，中國科學院物理研究所陳嵐、吳克輝與北京化工大學李暉等研究人員報道了一種高密度液晶與低密度晶體固體之間的熵驅動相變，并通過掃描隧道顯微鏡在Cu(111)上對一氧化碳的吸附進行了直接觀察。結合第一性原理計算，研究人員發現一氧化碳分子之間的排斥偶極-偶極相互作用導致非常規的熱力學行為。二維一氧化碳中非常規熱力學的發現不僅為研究原子尺度下二維液體中異常相變的基本原理提供了平臺，而且有助于設計和開發更有效的銅基催化劑。該研究發表于Nature Communications，題為“Abnormal phase transition between two-dimensional high-density liquid crystal and low-density crystalline solid phases”，黎文彬和孔龍娟為本研究成果的共同第一作者。

?【圖文導讀】

?圖1. Cu(111)上在77K時共存的二維CO的α和β相STM圖像

?

a為在Cu(111)上共存的α和β相的大面積STM圖像；

b為共存α和β相的STM圖像具有模糊的疇界，表明α和β相在掃描過程中相互轉化；

c、d分別是具有純α相和β相的單疇STM圖像；

e-g不同區域α相的高分辨率STM圖像。

圖2. 原子結構模型和相應的STM模擬

a為α相一個4×7的超晶格，b 為α相的4×4超晶格，c 為α相的4×3超晶格；d為β相的（3√3×3√3）R30°超晶格，e 為γ相的4×4超晶格。

模型中的紅色、棕色和灰色球分別代表氧、碳和銅原子。橙色的平行四邊形和菱形表示這些相的晶胞。深藍色的六邊形、菱形和三角形分別為CO分子的六聚體、四聚體和三聚體。

圖3. 5K時在Cu(111)上γ相的STM圖像

a為5K時2D CO的γ相STM圖像，b為由正常W尖測得的γ相高分辨率STM圖像，d為CO修飾的W尖測得的γ相高分辨率STM圖像。c，e分別是b和d中矩形標記區域放大的局部STM圖像。

菱形代表γ相的晶胞，周期為1.0 nm,相當于Cu(111)的4×4超晶格。

【小結】

?此項研究是在作者自制的低溫、壓力為6×10^-11Torr的STM/MBE系統中，通過氬離子對單晶Cu(111)表面濺射，再經過熱處理得到干凈的Cu(111)表面，最后完成一氧化碳的吸附。研究通過觀察實驗現象并結合第一性原理計算，發現反常的二維液晶-固態的過渡可能提供了一個可以用原子特征進行研究的平臺，這個平臺可以用于探索二維物質非常規的熱力學性質。此外，對這種異常相變的發現和理解不僅可以深入了解原子尺度的結構相變，而且還有助于提高控制表面化學反應和功能自組裝結構的能力。

文獻鏈接： Abnormal phase transition between two-dimensional high-density liquid crystal and low-density crystalline solid phases (Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-017-02634-6)

陳嵐教授課題組主要研究二維體系，更多相關信息可以瀏覽網頁：http://surface.iphy.ac.cn/sf09/index-cn.html

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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