Sciencemag.cz
Doporučujeme
U jedné molekuly můžeme sice změřit její energii a tím i odpovídající teplotu, ale těžko hovořit o skupenství. Led je ledem, vytvoří-li se nějaká krystalová struktura. Z tohoto hlediska se pak zkoumá, jaký je minimální počet molekul vody, aby mělo vůbec smysl jejich spojení označovat jako led.
Před několika lety výsledky výzkumu na toto téma publikovali i čeští vědci: Nejmenší krystal ledu potřebuje 275 molekul vody
Nynější výsledek znamená další snížení. Autoři studie uvádějí, že v posledních letech se odhady pohybovaly od 90 po 400 molekul, aktuální výsledky jsou tedy na samé dolní hranici příslušného intervalu. K závěru se došlo kombinací simulací i experimentů, které probíhaly v nanoměřítku. Dále bylo třeba odladit samotné ochlazování – stabilní led se získá při co nejpomalejším poklesu teploty, v malém měřítku to znamená současně zajistit, aby ochlazování bylo co nejvíc rovnoměrné. Dalším problémem je navrhnout metody, jak příslušné procesy vůbec sledovat.
Autoři studie tvrdí, že hranicí pro led je něco kolem 90 molekul vody, tedy útvar o velikost asi 2 nm – „nejmenší ledový krystal/nejmenší sněhová vločka“. Klastry obsahující 90-150 molekul vody navíc mají další zajímavé vlastnosti, kdy kolem teploty 0 ºC mají tendenci mezi oběma skupenstvími oscilovat. I na makroskopické úrovni známe celkem stabilní kombinaci obou fází, např. mezi ledem a vodu ve sklenici. Nicméně na mikro(nano)úrovní by to vypadalo spíše tak, že by sem a tam mrzl obsah sklenice jako celku, nebo alespoň jeho většina, nikoliv jen úzké rozhraní mezi oběma fázemi, jak je tomu v makroměřítku. U větších objektů analogii takového jevu tedy spíš neznáme.
Výsledky studie mají význam např. z hlediska zkoumání procesů probíhajících v atmosféře (ani za nízké teploty nemusí být pevná fáze nejstabilnější strukturou, protože proti tomuto uspořádání zase působí termodynamika s růstem entropie). Několik molekul vody vytváří shluky i v mezihvězdném prostoru. Dokonce i v živých strukturách, záhybech proteinů může být molekul vody tak málo, že ani při poklesu teploty pod 0 ºC led nevznikne. V rámci nanotechnologií by toto řízení skupenství mohlo umožňovat konstrukci speciálních ventilů – pár molekul navíc způsobí, že vše zmrzne (Poznámka PH: jak je ale toto snadno vratné, což u ventilu potřebujeme? Ze vzniklého krystalu už lze pár molekul odštípnout celkem těžko.).
Navíc nejde jen o vodu, skupenské změny jsou univerzální. Bude příslušná oscilace mezi kapanou a pevnou fází např. probíhat i u jiných molekul v počtu těsně nad minimem? Možná ano, ale rozhodně by se to mělo otestovat.
Daniel R. Moberg et al. The end of ice I, Proceedings of the National Academy of Sciences (2019). DOI: 10.1073/pnas.1914254116
Zdroj: University of Utah/Phys.org a další
