Vodní sendvič a teplý led

21 Kvě

Nový a nezvyklý úkaz se objevil při nedávných studiích elektrického pole působícího na vrstvu vody. Pod náporem silného elektrického pole se podařilo donutit tenkou vodní vrstvu zmrznout za pokojové teploty. Před několika týdny však korejští vědci dokázali, že takové elektrické pole nemusí být vůbec silné, jak se při prvních pokusech předpokládalo.

Pokud se podaří tyto výsledky potvrdit, pak by to znamenalo, že tento takzvaný „teplý led“ se tvoří běžně na velkém množství pevných vodivých povrchů včetně například prasklin ve skalách! Zdá se, že formování teplého ledu za přirozených podmínek tak může ovlivňovat dokonce takové aktivity na molekulárních úrovních jako chování bílkovin. Stejně tak se tyto procesy mohou projevit při práci mikroskopických jehel pro nanoskopickou litografii. Zajímavá je na celém objevu skutečnost, že formování ledu nebylo vůbec cílem experimentů. Vědci totiž pracovali na výzkumu, jak elektrony prostupují tenkou vrstvou vody. Princip pokusu spočíval ve využití jednoho z nejmodernějších přístrojů dnešní doby – STM mikroskopu.

STM mikroskop

STM (Scanning Tunneling Microscope) je zařízení, jehož nejdůležitějším prvkem je ostrá, elektricky nabitá jehla. Princip nemá s klasickou optickou mikroskopií nic společného. Obraz se totiž tvoří jako výsledek analýzy vlnových funkcí. Mechanismus pracuje na základě mechanického pohybu jehly těsně nad nabitým povrchem zkoumaného vzorku. Dnes se takto tvoří nejpřesnější známý způsob mapování povrchů materiálů na nejvyšším existujícím rozlišení. To je nyní 100 pikometrů (sto biliontin metru). Korejští vědci použili zlatý hrot STM mikroskopu, který prozkoumával tenký film vody na zlaté destičce. Během práce vědců však zlatý hrot narážel na neznámé bariéry, která by se v kapalné vodě neměly objevovat.

Pod silou mikroskopu voda mrzne

V vydání prestižního časopisu Physical Review Letters tým korejských vědců pod vedením prof. Kanga odkryl pravděpodobnou příčinu. Výzkumníci totiž předpokládají, že nanoskopické kapičky vody těsně před prostupujícím hrotem přecházejí do pevného skupenství. Zároveň zjistili, že čím je vzdálenost mezi hrotem a zlatou podložkou fungující jako elektroda menší, tím větší je intenzita elektrického pole ve vodním filmu. A to vše až na úroveň kritického pásu, což je tloušťka vodního filmu o rozměru dvou molekul vody, kde elektrické pole přinutí vodní molekuly k uspořádání se do pravidelného tvaru odpovídajícímu pevné látce. Vzniká tak led, avšak bez závislosti na teplotě a tlaku prostředí.

Stačí slabé pole

Přesný mechanismus sice není stále objasněn, přesto se zdá vysvětlení týmu konzistentní se známou praxí. Navíc s ohledem na výpočty je patrné, že vodní film tuhne v led při napětí již několika milionů voltů na metr. Jakkoli to může znít jako obrovské číslo, je to ve skutečnosti velmi malé napětí. Předpovědi a počítačové simulace totiž naznačovaly, že k takovému tuhnutí by mělo docházet až při tisíckrát vyšších napětích. „Ve skutečnosti napětí 1 milion voltů na 1 metr je opravdu nepatrné. Stejná napětí se například vyskytují v běžných obvodech od statické elektřiny ve vlněném svetru přes vnitřky tužkových baterií až po iontové kanály v lidských buňkách,“ vysvětluje prof. Kang. Díky této všudypřítomnosti se tak dají očekávat nová „ledová“ zjištění v buněčné biologii i v jiných oblastech molekulární fyziky a biologie.

Vodní sendvič

Polapeny v elektrickém poli mezi zlatým zelektrizovaným hrotem a zlatou destičkou jako elektrodou dole podstupují molekuly vody pravidelný tvar odpovídající krystalické pevné látce. Vzniká tak led při standardní pokojové teplotě a normálním tlaku.

Leave a Reply