Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vodní pára ve vzduchu se v chladných dnech může proměnit na pevný led, který v tenké vrstvě pokrývá například okenní tabule nebo skla aut. Na tento zdánlivě obyčejný, avšak dosud málo prozkoumaný jev si nedávno posvítili čínští a američtí fyzici, kteří objevili nový způsob, jak může led na povrchu růst. Jejich poznatky se uplatní při vývoji nových materiálů, z nichž bude možné led snadněji odstranit.
Nízkodimenzionální led může vznikat tam, kde je voda uzavřena mezi dvěma pevnými povrchy. Tento stav je v přírodě prakticky všudypřítomný a hraje klíčovou roli v mnoha oborech, jako je třeba materiálová věda, chemie, biologie nebo jako jsou atmosférické vědy. Znát strukturu takových vrstev je proto velmi důležité.
Fyzici z University of Nebrasca ve spolupráci s kolegy z Peking University použili bezkontaktní mikroskop atomové síly v kombinaci s teoretickými výpočty a studovali, jak dvojrozměrný led roste na povrchu stříbra. Podařilo se jim zobrazit 2D vrstvu ledu s hexagonální strukturou, silnou 2,5 Å. Vyrostla na hydrofobním povrchu stříbra Au (111) při teplotě kolem 120 kelvinů (-153 °C).
Hrot použitého mikroskopu atomových sil byl opatřen molekulou oxidu uhelnatého. Díky vysoké flexibilitě a slabé povaze elektrostatické síly interaguje hrot se vzorkem vody jen slabě. To omezuje možnost poškození křehké struktury, která se vytváří na hraně ledu a umožňuje získat obrázky nestabilní mezilehlé struktury, ve které jsou rozpoznatelné atomy vodíku a kyslíku ve vodě. Jakmile ledová vrstva přestala růst, fyzici vzorky zchladili na 5 K (-268 °C), aby prodloužili čas pro zobrazování. Díky tomu, že vzorky zmrazili, mohli rekonstruovat růst ledové vrstvy s atomovou přesností.
V práci tohoto typu hraje velmi důležitou roli krystalografická struktura tenké vrstvy ledu. Hlavním typem ledu, který se v přírodě vyskytuje, je led s hexagonální strukturou. Toto uspořádání molekul vody je také důvodem, proč mají všechny sněhové vločky krystalickou šesterečnou symetrii. Bazální rovina této formy ledu má strukturu, která je velmi podobná jednoduchému 2D ledu. To může vést ke dvěma typům hran (okrajů), kterým se říká „klikatá“ („zigzag“) a „křeslová“ („armchair“). Obvykle převládají klikaté hrany, zatímco křeslové běžně zcela chybí. Je to způsobeno vysokou hustotou volných vodíkových vazeb, které zvyšují energii těchto hran a tím snižují jejich stabilitu.
Čínsko-americká skupina ale zjistila, že křeslové hrany mohou být ve skutečnosti velmi stabilní, pokud led roste pouze ve dvou dimenzích. A co víc, růst těchto hran probíhá dosud neznámou reakcí, v níž jsou v přechodném stavu růstu přítomny pěti- a sedmičlenné prstence molekul vody. Tento výsledek, potvrzený i počítačovými simulacemi, se zásadně odlišuje od předcházejících měření, kde byly pozorovány pouze klikaté hrany a výhradně šestičlenné prstence molekul vody.
Vědci tak poprvé potvrdili existenci skutečného 2D ledu, který dostal přezdívku „2D ice I“. Současně tím otevřeli dveře k využití dalších fází 2D ledu, které se vyskytují v přírodě. 2D dvojvrstva hexagonálního ledu byla poprvé předpovězena v roce 1997, přímo pozorovat její atomovou strukturu, která má zcela saturovanou strukturu vodíkových vazeb, se vědcům podařilo vůbec poprvé.
Další výzkum v této oblasti by podle vědců mohl naprosto změnit současné chápání nízkodimenzionálního ledu a pomoci inženýrům vyvinout nové nenamrzající nebo supermazací materiály. To by bylo užitečné pro řadu odvětví, konkrétně třeba pro provoz větrných turbín, které nemohou fungovat, pokud je jejich povrch pokryt ledovou vrstvou.
Vědci se teď soustřeďují na to, jak se 2D led mění na 3D strukturu. Ta je totiž pro tvorbu ledu obecně významnější. Očekává se, že 2D růstový mód může přetrvat až do určité tloušťky, kdy ve vrstvě dojde ke strukturní transformaci z ploché zaplněné dvojvrstvy na vzájemně propojené dvojvrstvy. Je to podobný proces, jako když se grafit mění na diamant.
Práce byla uveřejněna v Nature.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz.
Přihlašování ke studiu na bc obory MFF UK je otevřené až do 31. 3.
