Obecně známou vlastností vody je tuhnutí v led při teplotě „na nule“. Práce publikovaná v časopise Americké chemické společnosti ACS Nano však dokládá, že tomu tak nemusí být vždy. Za určitých podmínek se mění v led až hluboko pod klasickým bodem mrazu. Na objevu se podílel Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.
Ručička venkovních teploměrů se v tomto období pohybuje kolem nuly. Vzhledem k teplotám všichni čekáme, že i v nížinách už brzy napadne první letošní sníh a zamrznou rybníky na venkově a kaluže ve městech. Vliv teploty na skupenství vody zná z vlastní zkušenosti každý. Jenže čeští vědci teď dokázali, že pokud se voda nachází ve velmi malém ohraničeném prostoru, tuhne až při teplotě desítek stupňů pod nulou.
Dobře zvolený materiál
Experti pod vedením Martina Kalbáče z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, Jany Vejpravové a Jiřího Klimeše z Matematicko-fyzikální fakulty UK uzavřeli molekuly vody do velice malých, absolutně nepropustných výdutí grafenu. Vytvořili je na hladkém povrchu oxidu křemičitého. Grafen je atomárně tenká a průhledná forma uhlíku, strukturou podobná grafitu. Má některé zvláštní fyzikální vlastnosti. Jedná se o jeden z nejpevnějších známých materiálů na světě, jehož elektrony se chovají, jako kdyby neměly žádnou efektivní hmotnost a pohybovaly se téměř rychlostí světla. Grafen by se v budoucnu dal využívat třeba pro výrobu senzorů nebo mikroprocesorů.
„Volba materiálu se ukázala jako šťastná, neboť tento atomárně tenký krystal, složený z atomů uhlíku uspořádaných ve vzoru včelí plástve, posloužil nejen k uzavření vody, ale i k samotnému experimentálnímu důkazu, že voda zamrzá až při velmi nízké teplotě,“ říká Martin Kalbáč. Konkrétně šlo o teplotu minus 33 ℃.
Povýšení na kvantovou mechaniku
Zatímco běžný led tvoří krystaly s hexagonální krystalovou strukturou, molekuly vody uvězněné mezi hladkým oxidem křemičitým a zvrásněným grafenem vytvářejí krystalické jádro pouze ve středu výdutí. V blízkosti grafenu jsou molekuly orientovány náhodně, což vede k amorfnímu uspořádání. To je také důvod, proč voda zamrzá až hluboko pod stupněm mrazu. Kvůli interakci se stěnou grafenu jsou molekuly vody neuspořádané, což brání vzniku krystalického ledu.
Pro ověření experimentu vědci provedli simulace, při nichž zahřívali led a pak pozorovali vliv tekuté vody na grafen. Ukázalo se, že atomy vody se nepohybují podle zákonů klasické fyziky a nelze u nich přesně určit, kde se nacházejí. Je potřeba uvažovat o kvantových částicích, jejichž výskyt je v daném bodě pouze pravděpodobný. „Jelikož měl simulovaný systém téměř sto tisíc atomů, činí tyto simulace jedny z největších, pro který byl tento kvantový popis kdy použit,“ uvádí autor simulací Jiří Klimeš.
Jinak, než jsme zvyklí
Voda nezamrzá při nule. Jde snad o objev, který přepíše učebnice fyziky? Ne tak docela. Na teplotu, při které voda zamrzá, má totiž vliv i tlak okolí nebo v ní rozpuštěné látky. Například mořská voda díky vysokému obsahu soli se mění v led při teplotě minus 2 °C.
„Náš objev otevírá zcela nové možnosti studia chemických procesů v podchlazených kapalinách a fyzikálních vlastností kapalin v extrémním prostorovém omezení, které je typické například pro mezibuněčné prostory,“ doplňuje Jana Vejpravová. Podle Martina Kalbáče může mít objev význam v oblasti nanotechnologií. „V současné době pronikáme do jejich tajů a zjišťujeme, že v tomto světě je řada věcí jinak, než jsme zvyklí z makroskopického světa. Jako možnou aplikaci si dokážu představit třeba nanoreaktory. Nicméně si myslím, že nejlepší jsou aplikace, které nečekáte.“
O grafenu jako materiálu budoucnosti a o tom, jak ho vyrábět ve velkém a za přijatelnou cenu si více přečtete v článku v časopise A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR. (27.11.2020)
