Sciencemag.cz
Doporučujeme
Voda na povrchu různých materiálů vytváří tenké vrstvy se speciálními vlastnostmi. Kdybychom tomuto chování lépe rozuměli, dokázali bychom efektivněji vytvářet hydrofilní i hydrofóbní materiály potřebných parametrů, třeba na míru navržené povrchy lodí nebo medicínských implantátů. Související jevy jsou ovšem natolik složité, že v nich dosud nikdo pořádně nevyzná. Na Tokyo University of Science dokonce za účelem studia těchto interakcí zřídili specializované centrum Water Frontier Science and Technology hned s několika výzkumnými skupinami (teoretici, experimentátoři, specialisté na vývoj materiálů…). Poslední publikační výstup těchto výzkumů ve spolupráci s Mizuho Information & Research Institute popisuje, jak se chová povrchová vrstva (vrstvy) vody na grafenu. Předešlé studie vedly k závěru, že voda na tomto hydrofobním povrchu vytváří uspořádané struktury, které postupují i dále do nitra kapaliny (takže ta je pak v určité části prostoru uspořádanější, než by vůbec odpovídalo chápání kapaliny). Nyní byla tato zjištění podrobena revizi s pomocí řady metod, např. studia tzv. perzistentní homologie (termín z matematiky/data science).
Monokolekulární vrstva vody na grafenu se uspořádá do mnohoúhelníků o různém počtu stran, přičemž molekuly vody (vrcholy) budou propojovat vodíkové vazby. Přidáme-li druhou vrstvu, obě vrstvy se přeuspořádají na pravidelné čtyřstěny. Tyto pyramidy s podstavou o tvaru trojúhelníku budou ale seskládány téměř všechny špičkou dolů, protože takové uspořádání je energeticky výhodnější (poznámka PH: možná kvůli hydrofóbnosti grafenu, tj. většina molekul vody od jeho povrchu „chce být dále“?). Jakmile se však přidá třetí vrstva, čtyřstěny v ní a dále nad ní už mají nahodilou orientaci, nemusí být na druhou vrstvu ani kolmé (viz obrázek výše, situace na třetím políčku).
Jinak řečeno, voda na grafenu je skutečně speciálně uspořádaná, ale tato „povrchová“ voda má (na rozdíl od dřívějších předpokladů) pouze dvě vrstvy, další už se chovají jako běžné kapalina („volná voda“).
To vše jsou zatím pouze teoretické výsledky, nicméně by je neměl být zvláštní problém ověřit třeba pomocí AFM (mikroskopie atomárních sil).
Grafen, ač materiál z řady důvodů unikátní, má jednoduchou povrchovou strukturu. Na jiných materiálech může být i přechod mezi povrchovou a volnou vodou mnohem komplikovanější (poznámka PH: nebo možná ani nic jako „povrchová voda“ nebude existovat?). A úplně speciální kapitolou je chování tenkých vrstev vody v živých soustavách, na buněčných membránách apod.
Koichiro Kato et al, Discovery of new microscopic structures in surface water on graphene using data science, Japanese Journal of Applied Physics (2019). DOI: 10.7567/1347-4065/ab6564
Zdroj: Tokyo University of Science/Phys.org a další
