[논문 리뷰] Submolecular-resolution non-invasive imaging of interfacial water with atomic force microscopy

Jinbo Peng, Jing Guo외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 13.

Force Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 42인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 qPlus 기반 비접촉 원자력 현미경을 사용하여 NaCl(001) 표면에서 인터페이셜 수분 클러스터의 아수소 이하 해상도, 비침습적 영상 기록을 달성하였다. 큰 톱-샘플 거리에서 CO로 종결된 톱과 극성 수분 분자 사이의 약한 고차 전기력에 의해, 수소 결합 구조가 유지되며, 외부 간섭 없이 원자 크기 해상도로 불안정한 수분 구조를 시각화할 수 있었다.

ABSTRACT

Scanning probe microscopy (SPM) has been extensively applied to probe interfacial water in many interdisciplinary fields but the disturbance of the probes on the hydrogen-bonding structure of water has remained an intractable problem. Here we report submolecular-resolution imaging of the water clusters on a NaCl(001) surface within the nearly non-invasive region by a qPlus-based noncontact atomic force microscopy. Comparison with theoretical simulations reveals that the key lies in probing the weak high-order electrostatic force between the quadrupole-like CO-terminated tip and the polar water molecules at large tip-water distances. This interaction allows the imaging and structural determination of the weakly bonded water clusters and even of their metastable states without inducing any disturbance. This work may open up new possibility of studying the intrinsic structure and electrostatics of ice or water on bulk insulating surfaces, ion hydration and biological water with atomic precision.

연구 동기 및 목표

• 스캐닝 프로브 현미경에서 인터페이셜 수분에 대한 장기적인 도전 과제인 프로브 유도 왜곡을 극복하기 위해.
• 고립 표면에서 수분 클러스터의 원자 크기 해상도 영상 기록을 통해 수소 결합 네트워크를 손상시키지 않기 위해.
• 약한 고차 전기력이 아수소 이하 해상도에서 비침습적 영상 기록을 가능하게 할 수 있음을 입증하기 위해.
• 불안정한 수분 구조의 구조 결정과 인터페이셜 수분의 본질적인 전기적 성질을 가능하게 하기 위해.
• 수화, 얼음 형성, 생물학적 수분을 원자 정밀도로 연구할 수 있는 새로운 길을 열기 위해.

제안 방법

• CO로 종결된 톱을 사용한 qPlus 기반 비접촉 원자력 현미경(nc-AFM) 장치를 활용하였다.
• 팁-샘플 상호작용력을 최소화하기 위해 큰 토픽-샘플 거리를 유지하며 작동시켰다.
• 이중극자 유사한 톱과 극성 수분 분자 간의 고차 전기력에 기반한 상호작용을 활용하였다.
• 실험적 영상와 이론적 시뮬레이션을 결합하여 관측된 구조의 타당성을 검증하였다.
• 힘 스펙트로스코피를 수행하고 상호작용 잠재 에너지 장을 시뮬레이션하여 비침습적 영상 조건을 확인하였다.
• 통제된 조건에서 순서 정렬된 수분 클러스터를 연구하기 위해 NaCl(001) 표면을 집중적으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수소 결합 네트워크를 손상시키지 않고 인터페이셜 수분의 아수소 이하 해상도 영상 기록이 가능할 수 있는가?
• RQ2 어떤 종류의 톱-샘플 상호작용이 원자 크기 해상도에서 비침습적 영상 기록을 가능하게 하는가?
• RQ3 불안정한 수분 구조를 영상 기록하고 구조적으로 특성화할 수 있는가?
• RQ4 CO로 종결된 톱에서 기인하는 고차 전기력은 영상 해상도와 비침습성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법은 고립 표면에서 수화 껍질과 얼음 유사 구조를 연구하는 데 확장 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 큰 톱-샘플 거리에서 NaCl(001) 표면의 수분 클러스터에 대해 아수소 이하 해상도 영상이 확보되어 외부 간섭이 최소화됨을 확인하였다.
• CO로 종결된 톱의 이중극자 유사 전기적 상호작용이 수소 결합 네트워크를 손상시키지 않고 영상 기록을 가능하게 하였다.
• 이론적 시뮬레이션 결과는 실험적 영상와 일치하여 영상 기구의 비침습적 성격을 검증하였다.
• 불안정한 수분 구조가 해상도가 확보되어, 이 방법이 미세한 구조적 차이에 민감함을 나타내었다.
• 약한 결합을 가진 수분 클러스터의 본질적인 구조를 유지하며 정확한 구조 결정이 가능하게 하였다.
• 이 접근법은 고립 표면에서 인터페이셜 수분의 전기적 성질과 구조를 원자 정밀도로 연구할 수 있는 길을 제공한다.