Nové zjištění, jak se voda mění v led

Základní a obecně známou vlastností vody je, že při snížené teplotě začíná tuhnout a mění se v led. U čisté vody dochází za normálního tlaku ke změně skupenství při teplotě 0 °C (273,15 K). Vědci však ve svém experimentu ukázali, že tomu tak nemusí být vždy. Voda ve specifickém prostoru totiž tuhne až při teplotě o 33 °C nižší.

„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 doc. Jana Kalbáčová Vejpravová z Katedry fyziky kondenzovaných látek MFF UK.

Na nový poznatek vědci přišli, 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. Jde 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 doc. Martin Kalbáč z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

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.

Pro ověření experimentu vědci provedli simulace, při kterých sledovali rozpouštění ledu při vzrůstající teplotě a vliv rozpuštěné vody na grafen. „Simulace jsme prováděli pomocí molekulární dynamiky, kdy na začátku vytvoříme nějakou strukturu systému na atomární úrovni, tedy podklad, zvrásněný grafen a prostor mezi nimi vyplníme molekulami vody. Tuto strukturu pak necháme vyvíjet v čase,“ vysvětluje dr. Jiří Klimeš z Katedry chemické fyziky a optiky, který je autorem simulací.

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.

Související odkazy:

• Anomalous Freezing of Low-Dimensional Water Confined in Graphene Nanowrinkles (publikovaná studie, ACS Nano)
• Atomárně tenký magnet i supravodič v jednom aneb Soumrak doby křemíkové? (video věnované grafenu, Týden vědy a techniky AV ČR 2020)

TZ AV ČR, OPMK