Sciencemag.cz
Doporučujeme
Voda má kromě jiných unikátních vlastností také neuvěřitelnou variabilitu v pevné fázi. Prozatím známe asi 20 různých krystalických modifikací ledu a tento počet stále roste.
Krystalické ledy ale nejsou všechno. Ingrid De Almeida Ribeiro z University of Utah, Valeria Molinero z Argonne National Laboratory (Illinois) a jejich kolegové nyní rozšířili také naše chápání ledů amorfních („skel“). O amorfním ledu je známo, že se vyskytuje buď v stavu s nízkou hustotou (low-density amorphous, LDA), nebo v amorfním stavu s vysokou hustotou (HDA). Nedávná studie prokázala existenci amorfního ledu střední hustoty (MDA). Nyní se podařilo získat o těchto ledech podrobnější informace.
Amorfní led se od typického krystalického ledu liší neperiodickým uspořádáním atomů. Stále je klasifikován jako pevný materiál, stejně tak lze ale popsat jako „kapalina, která ztratila schopnost proudění“. Prostě obdoba skla.
Nedostatek uspořádanosti v amorfním ledu vytváří různá lokální prostředí, což je důvod, proč se LDA a HDA tak liší. V LDA je každá molekula vody obklopena přibližně čtyřmi sousedy, což látce dává hustotu blízkou hustotě běžného krystalického ledu. V HDA jsou molekuly vody obklopeny těsněji, s pěti až šesti sousedy, což zvyšuje hustotu až o 25 %.
Pro srovnání, kapalná voda se nachází mezi těmito dvěma skupenstvími, její hustota je o 9 % vyšší než hustota běžného ledu. Ke stlačení kapalné vody na hustotu HDA by byl potřeba tlak 3 000 atmosfér – více než dvojnásobek tlaku na dně oceánů.
Nová studie ukázala, že mezi LDA a HDA se ovšem nachází nikoliv jen jediná fáze MDA, ale různé amorfní fáze ledu; tyto modifikace lze připravit mletím nebo smykem. V rámci studie se mj. modelovalo, co se děje s amorfním ledem, když je podroben „mletí s kuličkami“. Při tomto procesu je vzorek ledu spolu s ocelovými kuličkami uzavřen v nádobě a udržován při teplotě 77 K. Nádoba se silně protřepává, čímž je ledová hmota vystavena tlaku, tahu a smykovým silám. Ukázalo se, že běžnými technikami, např. izobarickým chlazením (tj. za konstantního tlaku) se hustoty MDA dosáhnout nedá, ale mletím s kuličkami ano.
Shrnuto, ledy MDA lze připravit nejen z krystalického ledu, ale také z jeho dalších amorfních forem, jako je LDA a HDA.
Tato zjištění by mohla pomoci lépe porozumět vodě v extrémních podmínkách. Podle vědců umožňují nahlédnout do vzniku a struktury ledu na tělesech, jako je Europa a Enceladus. Kvůli nízkému tlaku a teplotám jsou podmínky na těchto měsících podobné těm, které s nimiž si nyní vědci hráli v laboratoři. Zatímco naše každodenní zkušenost s ledem zahrnuje jeho krystalickou formu, nejběžnější strukturou vody ve vesmíru je amorfní led.
Nové objevy jsou o to zajímavější, že by mohly najít uplatnění i u dalších materiálů s podobnou lokální strukturou, jako je uhlík, oxid křemičitý a křemík, které jsou široce využívány v elektronice a dalších průmyslových aplikacích. Stejně jako voda mohou tyto materiály existovat ve více různých amorfních fázích.
Ingrid de Almeida Ribeiro et al, Medium-density amorphous ice unveils shear rate as a new dimension in water’s phase diagram, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI: 10.1073/pnas.2414444121. On ChemRxiv: DOI: 10.26434/chemrxiv-2024-7knv8-v2
Zdroj: University of Utah / Phys.org
Poznámka PH: V této souvislosti si člověk vždy vzpomene na Vonnegutovu knihu Kolíbka (a to Vonnegura už dávno v oblibě vůbec nemám).
