Sciencemag.cz
Doporučujeme
Skupina výzkumníků z Fyzikálního ústavu AV ČR se spolu s mezinárodním kolektivem autorů podílela na zkoumání dynamiky molekul vody v krystalech berylu. Jak informuje jejich nedávný článek v časopisu Nature Communications, podařilo se jim poprvé prokázat, že tyto lokalizované molekuly vody při nízkých teplotách vykazují tendenci k vzájemnému uspořádání orientace jednotlivých molekul, tzv. incipientní (počínající) feroelektrický stav.
Je známo, že molekuly vody mají vysoký dipólový moment. Jsou-li zachyceny v krystalové mřížce berylu, nacházejí se na pravidelně uspořádaných místech, kde se mohou pootáčet. Směry jejich natočení jsou určeny krystalovou mříží, která patří k šesterečné krystalové soustavě; molekuly mají proto šest možných ekvivalentních poloh. Díky svému elektrickému dipólovému momentu mohou molekuly navzájem interagovat a dynamicky ovlivňovat svoji orientaci. V kapalné vodě či v ledu takovéto korelace nelze pozorovat, protože zmíněné dipól-dipólové interakce jsou potlačeny krátkodosahovými vazbami tzv. vodíkových můstků. Beryl představuje výhodné hostitelské prostředí, neboť vynucuje přiměřené odstupy mezi molekulami vody (řádově 1 nm), takže vodíkové můstky se nemohou vytvořit. Také je možno připravit bezvodé krystaly berylu, což umožňuje jednoznačně identifikovat příspěvek molekul vody samotných.
Dynamické chování krystalů berylu bylo ve FZÚ zkoumáno pomocí několika technik širokopásmové dielektrické spektroskopie. Bylo tak prokázáno, že kolektivní vibrace molekul krystalové vody vykazují tzv. měkký mód — vibrační rezonanci, jejíž frekvence se snižuje při ochlazování. V mnoha známých krystalech měkké módy vyvolávají fázový přechod do uspořádaného (feroelektrického) stavu, jenž existuje pod určitou, tzv. Curieovou teplotou. Parametry měkkého módu vody v berylu lze popsat pomocí známých rovnic, z nichž vyplývá, že Curieova teplota vody v berylu leží pod absolutní nulou. V tomto krystalu tedy kromě dipól-dipólové interakce existují ještě další meziatomové síly, jejichž vlivem uspořádaného stavu nelze dosáhnout. Publikovaný objev však otevírá možnost, že by jiný druh hostitelského krystalu feroelektrické uspořádání umožnil.
Vzhledem k významu vody, jež se v živé i neživé přírodě vyskytuje i v různých formách s omezenou pohyblivostí, je možno se domnívat, že uspořádání elektrických dipólových momentů vodních molekul by v určitých systémech mohlo hrát významnou roli.
