Ions Adsorbed at Amorphous Solid/Solution Interfaces Form Wigner Crystal-like Structures

离子 化学物理 材料科学 无定形固体 吸附 结晶学 Crystal(编程语言) 分子物理学 化学 物理化学 计算机科学 有机化学 程序设计语言
作者
Jianan Wang,Hua Li,Mahdi Tavakol,Alessandra Serva,Brett Nener,Giacinta Parish,Mathieu Salanne,Gregory G. Warr,Kislon Voı̈tchovsky,Rob Atkin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (1): 1181-1194 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c11349
摘要

When a surface is immersed in a solution, it usually acquires a charge, which attracts counterions and repels co-ions to form an electrical double layer. The ions directly adsorbed to the surface are referred to as the Stern layer. The structure of the Stern layer normal to the interface was described decades ago, but the lateral organization within the Stern layer has received scant attention. This is because instrumental limitations have prevented visualization of the ion arrangements except for atypical, model, crystalline surfaces. Here, we use high-resolution amplitude modulated atomic force microscopy (AFM) to visualize in situ the lateral structure of Stern layer ions adsorbed to polycrystalline gold, and amorphous silica and gallium nitride (GaN). For all three substrates, when the density of ions in the layer exceeds a system-dependent threshold, correlation effects induce the formation of close packed structures akin to Wigner crystals. Depending on the surface and the ions, the Wigner crystal-like structure can be hexagonally close packed, cubic, or worm-like. The influence of the electrolyte concentration, species, and valence, as well as the surface type and charge, on the Stern layer structures is described. When the system parameters are changed to reduce the Stern layer ion surface excess below the threshold value, Wigner crystal-like structures do not form and the Stern layer is unstructured. For gold surfaces, molecular dynamics (MD) simulations reveal that when sufficient potential is applied to the surface, ion clusters form with dimensions similar to the Wigner crystal-like structures in the AFM images. The lateral Stern layer structures presented, and in particular the Wigner crystal-like structures, will influence diverse applications in chemistry, energy storage, environmental science, nanotechnology, biology, and medicine.
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