Voda zamŕza pri 0 ℃. Vedci ale zistili, že nie vždy

29.11.2020 08:47
ladove kocky
Autor:

Ani bod mrazu vody už nie je absolútna istota. Vedcom pod vedením Martina Kalbáča z Ústavu fyzikálnej chémie J. Heyrovského AV ČR, Jany Vejpravovej a Jirího Klimeša z Matematicko-fyzikálnej fakulty UK sa podarilo popísať proces, v ktorom sa za určitých podmienok mení teplota, pri ktorej voda prechádza z kvapalného na tuhé skupenstvo.

Voda má zásadný význam pre život na Zemi. Pochopenie jej vlastností v závislosti na prostredí a okolitých podmienkach je extrémne dôležité. A českí vedci teraz dokázali, že ak sa voda nachádza vo veľmi malom ohraničenom priestore, tuhne pri teplote desiatky stupňov pod nulou.

„Tento objav otvára úplne nové možnosti štúdia chemických procesov v podchladených kvapalinách a fyzikálnych vlastností kvapalín v extrémnom priestorovom obmedzení, ktoré je typické napríklad pre medzibunkové priestory,“ vysvetľuje potenciál objavu Jana Vejpravová.

Základnou, všeobecne známou vlastnosťou vody je skutočnosť, že pri zníženej teplote začína tuhnúť a mení sa na ľad. Ku zmene skupenstva čistej vody za normálneho tlaku dochádza pri teplote 0 ℃ (273,15 kelvina). Práca publikovaná českými vedcami v prestížnom časopise Americkej chemickej Spoločnosti ACS Nano však dokazuje, že to tak nemusí byť vždy.

Super uhlík grafén ako prostredník experimentu

Voda v špecifickom priestore totiž tuhne až pri teplote o 33 ℃ nižšej. Vedci úkaz objavili, keď molekuly vody uzavreli do extrémne malých, absolútne nepriepustných vydutín grafénu vytvorených na veľmi hladkom povrchu oxidu kremičitého.

Grafén je atomárne tenká a priehľadná forma uhlíka, štruktúrou podobná grafitu. Tento tzv. dvojdimenzionálny materiál má tiež niektoré zvláštne fyzikálne vlastnosti. Ide o jeden z najpevnejších známych materiálov na svete, ktorého elektróny sa správajú, ako keby nemali žiadnu efektívnu hmotnosť a pohybovali sa takmer rýchlosťou svetla.

„Voľba tohto materiálu sa navyše ukázala ako veľmi šťastná, pretože tento atomárne tenký kryštál, zložený z atómov uhlíka usporiadaných vo vzore včelieho plástu, poslúžil nielen na uzavretie vody, ale aj k samotnému experimentálnemu dôkazu, že voda zamŕza až pri veľmi nízkej teplote,“ dodáva Martin Kalbáč.

Štruktúra takto vzniknutého „nanoľadu“ sa od bežného ľadu výrazne líši. Kým bežný ľad, označovaný ako Ih, tvorí kryštály s tzv. Hexagonálne kryštáľovou štruktúrou, molekuly vody uväznené medzi hladkým oxidom kremičitým a zvrásneným grafénom vytvárajú kryštalické jadro iba v strede vydutín. Molekuly vody v blízkosti grafénu sú orientované náhodne, čo vedie k tzv. amorfnému usporiadaniu. Tvar grafénových vydutín však významne ovplyvňuje podiel amorfného ľadu, a tým aj proces topenia.

Povýšenie na kvantovú mechaniku

Pre overenie experimentu vedci vykonali simulácie, pri ktorých sledovali rozpúšťanie ľadu pri vzrastajúcej teplote a vplyv rozpustenej vody na grafén. Ukázalo sa, že pre zhodu s experimentálnou roztažnosťou grafénu je nutný opis atómov uhlíka pomocou kvantovej mechaniky. Teda, že nestačí uvažovať nad atómami ako bodovými časticami pohybujúcimi sa podľa zákonov klasickej fyziky, pri ktorých možno presne určiť, kde sa nachádzajú, ale treba ich opísať ako kvantové častice; teda je možné hovoriť len o pravdepodobnosti ich výskytu v danom bode.

„Keďže mal simulovaný systém takmer 100 000 atómov, robí tieto simulácie jedny z najväčších, pre ktoré bol tento kvantový opis kedy použitý,“ dodáva Jiří Klimeš, autor simulácií.

Zdroj: Česká akadémia vied

Páči sa Vám tento článok? Prosíme, podporte kvalitnú žurnalistiku.

Cieľom denníka Pravda a jeho internetovej verzie je prinášať Vám každý deň aktuálne spravodajstvo. Na to, aby sme pre Vás mohli stále a ešte lepšie pracovať, potrebujeme i Vašu podporu. Ďakujeme Vám za akýkoľvek finančný príspevok.

Podporiť Poslať SMS Predplatiť denník
#Zem #výskum #voda #vedci #skupenstvo #ľad
Sleduj najnovšie články na našom Facebooku