利用低温STM研究半金属表面的水吸附及单层冰的生长动力学

It is generally known that water is one of the most common substance in nature. Water-solid interfaces are ubiquitous and of the utmost importance to industry, technology and many aspects of daily life. However, our molecular-scale understanding of the water-solid interface interactions still remains incomplete to date. The law of water-solid interface interactions and the growth kinetics of water nanostructures on a solid surface also require further investigation. This project will focus on water nanostructures(0D nanoclusters, 1D molecular chains and 2D ice layers) which are prepared by variable-temperature deposition method on the semi-metallic surface. Ultra-high vacuum low temperature scanning tunneling microscopy and first principles calculation method will be utilized to identified the molecular adsorption and H bonded network, detect the internal structure, molecular orbitals and the concerted proton tunneling. In the way, the kinetics of water nanostructures grown on semi-metallic surfaces, the effects of water-substrate interaction and substance temperature on water nanostructures, as well as the general rule of water-semimetal interactions will be revealed. The implementation of this program will provide a theoretic guide for some scientific issues such as the production of hydrogen through photochemical water splitting, controlling environment pollution, the interfacial interaction between water and biomolecule, etc.

水是自然界最常见的物质之一，水-固界面无处不在，与工业、科技和日常生活的诸多方面息息相关。但到目前为止，人们在分子尺度上对水与固体表面相互作用的认识仍较浅显，尤其是水与固体表面相互作用规律以及固体表面上水纳米结构的生长动力学等问题有待进一步研究。本项目将围绕这个问题，利用变温沉积技术在半金属表面制备不同维度的水纳米结构（如零维纳米团簇、一维水链和二维冰结构），结合超高真空低温扫描隧道显微镜和第一原理计算方法，识别结构中水的吸附方式和氢键构型，观察水分子和团簇的内部结构和电子密度分布，探测水团簇中质子协同量子隧穿这一氢键动力学过程。藉此探究半金属表面水纳米结构的生长动力学行为，总结水分子与衬底的相互作用、衬底温度对固体表面水纳米结构的影响，揭示水与半金属表面相互作用的一般规律。本项目的实施可为光分解水制氢、治理环境污染以及界面上水与生物分子相互作用等科学问题提供理论指导。

水是地球上最常见的物质之一，理解固体表面上的水结构对于防腐、润滑、浸润和异质催化等研究有极其重要的意义。然而目前人们对水的结构及其与其他物质相互作用的认识尚不清楚。针对上述问题，我们选用半金属作为衬底，利用变温沉积技术制备出了不同维度的水纳米结构。利用低温STM和DFT计算方法研究了这些水结构的吸附构型与形成机制，总结了水-半金属表面相互作用规律。具体研究内容与结果如下：.1).研究了吸附在半金属Bi(111)表面上的水纳米团簇。利用低温STM在Bi(111)表面上发现了单分散水六聚体阵列。DFT计算结果表明水团簇的单分散性是因为水六聚体中的氢键强度最强，吸附最稳定。此成果为理解和认识水与半金属表面的相互作用规律奠定了基础。.2).研究了吸附在半金属HOPG表面上的水纳米团簇。利用低温STM在HOPG表面上发现了大量随机分布的二聚体。DFT计算结果表明，水二聚体中分子的平均吸附能比其他团簇高得多，因此它是HOPG表面上最稳定的吸附构型。此外，我们还通过扫面隧道显微镜分别观察到了水二聚体的HOMO和LUMO分子轨道。此成果为理解和认识水与半金属表面的相互作用规律奠定了基础。.3).研究了HOPG表面上由非共边六元环构成的二维冰结构。我们利用变温沉积技术，在HOPG表面上制备出了一种新型二维冰结构。这种高密度的单层冰由众多的水六聚体自组装而成，每个六聚体表现为独立的六元环结构。相邻的六元环平行排列但不共边，非常类似于水的高压相：ice-II。形成能计算表明表面上自组装冰比二维ice-II冰相更稳定。这些研究成果启示人们可以利用表面效应来制备高密度冰和新型二维材料。.4).研究了HOPG表面上基于水化电子和氢键诱导下的水超分子马达。利用STM针尖向HOPG表面上的水团簇注入隧穿电子制备负电水团簇，负电水团簇通过静电相互作用吸引拥有偶极矩的水分子链。手性水分子链在隧穿电子的驱动下围绕带电团簇做顺时针或逆时针转动，从而形成一个表面安装的水超分子马达。本工作为利用STM制备和表征表面安装的超分子马达开辟了一条新途径。