[论文解读] Submolecular-resolution non-invasive imaging of interfacial water with atomic force microscopy

Jinbo Peng, Jing Guo+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2017

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 42被引用 3

一句话总结

本研究利用基于qPlus的非接触原子力显微镜，实现了对NaCl(001)表面界面水簇的亚分子分辨率、非侵入式成像。通过在大针尖-样品距离下利用CO终止针尖与极性水分子之间的弱高阶静电作用力，该方法保持了氢键结构的完整性，实现了对亚稳态水构型的原子级可视化，且无任何扰动。

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.

研究动机与目标

• 为克服扫描探针显微镜研究界面水时长期存在的探针诱导形变难题。
• 实现在绝缘表面上水簇的原子级成像，且不扰动其氢键网络。
• 证明弱高阶静电作用力可实现亚分子分辨率的非侵入式成像。
• 实现对亚稳态水构型的结构解析及界面水本征静电性质的测定。
• 为以原子精度研究水合、冰成核及生物水提供新途径。

提出的方法

• 采用基于qPlus的非接触原子力显微镜（nc-AFM）装置，并使用CO终止的针尖。
• 在大针尖-样品距离下运行，以最小化针尖-样品相互作用力。
• 利用来自具有四极矩特征的针尖与极性水分子之间的高阶静电作用力。
• 结合实验成像与理论模拟，验证所观测结构的可靠性。
• 进行力谱测量并模拟相互作用势能，确认非侵入式成像条件。
• 聚焦于NaCl(001)表面，以在受控条件下研究有序水簇。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不扰动氢键网络的前提下实现界面水的亚分子分辨率成像？
• RQ2 何种类型的针尖-样品相互作用可实现原子尺度的非侵入式成像？
• RQ3 能否对亚稳态水构型进行可视化并进行结构表征？
• RQ4 CO终止针尖产生的高阶静电作用力如何影响成像分辨率与非侵入性？
• RQ5 该方法能否拓展用于研究绝缘表面上的水合壳层及类冰结构？

主要发现

• 在大针尖-样品距离下获得了NaCl(001)表面水簇的亚分子分辨率图像，证实了扰动极小。
• CO终止针尖的四极矩特征静电相互作用实现了不破坏氢键网络的成像。
• 理论模拟与实验图像高度吻合，验证了成像机制的非侵入性。
• 成功分辨出亚稳态水构型，表明该方法对细微结构差异具有高灵敏度。
• 该技术可保持弱键合水簇的本征结构，实现精确的结构测定。
• 该方法为在绝缘表面上以原子精度研究界面水的静电性质与结构提供了新路径。