Sciencemag.cz
Related Articles
Ani tak běžnému fyzikálnímu procesu, jako je tuhnutí vody, dosud plně nerozumíme. Výzkumníci z University of Tokyo nyní provedli řadu simulací v molekulárním měřítku, aby odhalili, proč se led tvoří snadněji na povrchu než ve vodních plochách. Bod tuhnutí vody je 0 °C, jenže voda se v okamžiku dosažení této teploty okamžitě nepromění v led. Krystalky ledu začnou tvořit v malých jádrech a šíří se po celé vodní ploše v procesu nukleace. Nižší teploty nukleaci podporují, a tím mrznutí zrychlují. Na mikroskopické úrovni však hrají roli i další faktory.
„Když pozorujete mrznoucí sklenici vody, všimnete si, že led se nejprve tvoří na rozhraní vody a skla a postupně se přesouvá dovnitř,“ říká Gang Sun, hlavní autor studie. „Je tedy zřejmé, že pro proces nukleace je důležitý způsob, jakým molekuly vody interagují s povrchem.“ K pochopení mikroskopických efektů zodpovědných za tvorbu ledu použil tým nejmodernější simulace molekulární dynamiky. Při simulacích byla zvažována řada fyzikálních parametrů, jako je teplota a síla mezimolekulových interakcí, ale jeden z nich vynikl jako obzvláště překvapivý. G. Sun: „Naše simulace ukazují, že uspořádání molekul vody ve dvou vrstvách nejblíže povrchu je ještě důležitější. Toto strukturované vrstvení podporuje vznik nízkorozměrné hexagonální krystalové mřížky na povrchu, která se pak šíří do objemu vody.“
Klíčovým faktorem však zůstává hydrofilnost povrchu. Nadměrná hydrofilita narušuje dvouvrstvé hexagonální uspořádání molekul vody a brání nukleaci. Pro tvorbu ledu však existuje „zlatá střední cesta“, kde povrchová interakce není ani příliš silná, ani příliš slabá, aby bránila krystalizaci.
Tento poznatek dává vědcům nástroj, s jehož pomocí by mohli potenciálně řídit tvorbu ledu, což by bylo užitečné pro nátěry proti námraze a další materiály. Navržený mechanismus se může uplatnit i u jiných kapalin (např. i chování křemíku v souvislosti s elektronickým průmyslem apod.; hefagonální strukturu mívá i pevný uhlík).
Gang Sun et al, The secret role of water’s structure near surfaces in ice formation, Journal of Colloid and Interface Science (2025). DOI: 10.1016/j.jcis.2025.137812
Zdroj: University of Tokyo / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Poznámka: Tedy prakticky z toho vyplývá co? Zamrzne voda po ochlazení na 0 °C rychleji v kovovém, plastovém, keramickém nebo skleněném kelímku? Polární materiál by byl hydrofilní nejvíce, jenže ten by se zase ve vodě rozpouštěl („kelímek ze soli“).
