Voda zamrzá při 0 stupních Celsia. Čeští vědci zjistili, že ale ne vždy

Ani bod mrazu vody už není absolutní jistota. Vědcům pod vedením Martina Kalbáče z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, Jany Vejpravové a Jiřího Klimeše z Matematicko-fyzikální fakulty UK se povedlo popsat proces, ve kterém se za určitých podmínek mění teplota, při níž voda přechází z kapalného v tuhé skupenství.

Čeští vědci nyní dokázali, že pokud se voda nachází ve velmi malém ohraničeném prostoru, tuhne při teplotě desítky stupňů pod nulou. „Tento 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,“ vysvětluje potenciál objevu Jana Vejpravová.

Související

Martin Pokorný

Vědci objevili, jak patogenní bakterie Helicobacter…

Martin Pokorný

Unikátní fluorescenční technika umožňuje zobrazit…

Základní, obecně známou vlastností vody je skutečnost, že při snížené teplotě začíná tuhnout a mění se v led. Ke změně skupenství u čisté vody za normálního tlaku dochází při teplotě 0 ℃ (273,15 Kelvina). Práce publikovaná českými vědci v prestižním časopise Americké chemické společnosti ACS Nano však dokládá, že tomu tak nemusí být vždy.

Super uhlík grafen jako prostředník experimentu

Voda ve specifickém prostoru totiž tuhne až při teplotě o 33 ℃ nižší. Vědci úkaz objevili, když molekuly vody uzavřeli do extrémně malých, absolutně nepropustných výdutí grafenu vytvořených na velmi hladkém povrchu oxidu křemičitého.

Grafen je atomárně tenká a průhledná forma uhlíku, strukturou podobná grafitu. Tento tzv. dvojdimenzionální materiál má také 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.

„Volba tohoto materiálu se navíc ukázala jako velmi 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,“ dodává Martin Kalbáč. 

Struktura takto vzniklého „nanoledu“ se od běžného ledu výrazně liší. Zatímco běžný led, označovaný jako Ih, tvoří krystaly s tzv. hexagonální krystalovou strukturou, molekuly vody uvězněné mezi hladkým oxidem křemičitým a zvrásněným grafenem vytvářejí krystalické jádro pouze ve středu výdutí. Molekuly vody v blízkosti grafenu jsou orientovány náhodně, což vede k tzv. amorfnímu uspořádání. Tvar grafenových výdutí však významně ovlivňuje podíl amorfního ledu, a tím i proces tání. 

Povýšení na kvantovou mechaniku 

Pro ověření experimentu vědci provedli simulace, při kterých sledovali rozpouštění ledu při vzrůstající teplotě a vliv rozpuštěné vody na grafen. Ukázalo se, že pro shodu s experimentální roztažností grafenu je nutný popis atomů uhlíku pomocí kvantové mechaniky.

Tedy že nestačí uvažovat nad atomy jako bodovými částicemi pohybujícími se podle zákonů klasické fyziky, u kterých lze přesně určit, kde se nacházejí, ale je třeba je popsat jako kvantové částice; tudíž je možné mluvit jen o pravděpodobnosti jejich výskytu v daném bodě. „Jelikož měl simulovaný systém téměř 100 000 atomů, činí tyto simulace jedny z největších, pro který byl tento kvantový popis kdy použit,“ dodává Jiří Klimeš, autor simulací.