Nemrznoucí pentagon a podchlazené zlato

Vědcům z několika evropských institucí se podařilo najít odpověď na zdánlivě jednoduchou otázku: Proč voda v atmosféře může být podchlazená a nemrzne? A protože všechno souvisí se vším, vysvětlení přinese nové možnosti i ve fyzice růstu polovodičových nanovláken.

Vědcům z několika evropských institucí se podařilo najít odpověď na zdánlivě jednoduchou otázku: Proč voda v atmosféře může být podchlazená a nemrzne? A protože všechno souvisí se vším, vysvětlení přinese nové možnosti i ve fyzice růstu polovodičových nanovláken.

Překvapivé vysvětlení příčiny existence přechlazených kapalin publikovali vědci z Komise pro atomovou energii a energetické alternativy (CEA) Národního centra pro vědecký výzkum (CNRS) a Evropského zdroje synchrotronového záření (ESRF). Pojďte se s námi podívat, co je podstatou jejich objevu.

Proč někdy kape voda i při teplotě -42 ºC?
Vodní pára v mracích kondenzuje za přítomnosti tzv. kondenzačních jader (což mohou být např. částečky prachu, půdy, vulkanického popela) a tvoří kapky (9–100 µm), které se při teplotách nižších než 0 ºC mění v malé krystalky ledu. Vědcům ale dlouho vrtalo hlavou, jak je možné, že se to nestane vždycky, že v tzv. přechlazeném prostředí (chladnější než 0 °C) někdy zůstane voda v nerovnovážném (metastabilním) tekutém stavu a ledové krystalky se netvoří. Existence vodních kapek byla prokázaná v mracích do teploty -42 ºC.

Co je důležité pro krupobití i nanovlákna?
Nad podchlazenou kapalinou vrtěl hlavou už v roce 1724 Fahrenheit, ale dlouho neměli fyzikové úplně jasno. Pochopení přechodu mezi kapalnou a pevnou fází je důležité v mnoha případech, od předpovědi a možnosti zmenšení škod způsobených krupobitím až po technologické procesy – svařování, odlévání nebo růst polovodičových nanostruktur.
Nejslibnější byly hypotézy o tom, že vnitřní uspořádání tekutin je takového charakteru, že je neslučitelná s vytvořením pevné struktury.

Nezahrávejte si s pentagonem
Aby látka ztuhla, musí zaujímat takové vnitřní uspořádání, které jí dovolí opakováním stejného tvaru vyplnit beze zbytku celý prostor. Jako když stejné dílky stavebnice skládáte těsně vedle sebe. A jaký tvar dílků tohle dovoluje? Když si pro zjednodušení představíte dvourozměrný prostor, tak uvidíte, že můžete použít pravidelné trojúhelníky, čtverce, obdélníky, šestiúhelníky. S pětiúhelníky – pentagony – se vám to nepodaří. A skutečně se ukázalo, že podobně i v prostorovém uspořádání jsou tvary založené na pětiúhelníkovém uspořádání překážkou pro krystalizaci. Ať budete stavebnici z pětiúhelníků skládat pečlivě a systematicky nebo s ní budete nahodile třást, stejně ji zahodíte na koberec a půjdete se uklidnit. Nepůjde to.

Stejná pravidla pro vodu i pro zlato
Důkaz přineslo studium růstu nanovláken na modifikovaném křemíkovém povrchu. Výzkumníci pozorovali, že v první fázi zůstává v některých případech používaná slitina kov-polovodič tekutá i pod bodem tuhnutí a rozhodli se tento jev prozkoumat. Zaměřili se na chování Au-Si slitiny (slitiny zlata a křemíku) v kontaktu se specifickým upraveným křemíkovým povrchem. Použití tzv. Si(111) povrchu, kde povrchová vrstva indukovala pětiúhelníkové uspořádání atomů a umožnila existenci kapalného skupenství slitiny hluboko pod bodem tuhnutí, potvrdilo předchozí hypotézu. „To představuje první experimentální důkaz, že pentagonální uspořádání je počátkem podchlazení,“ konstatuje Tobias Schülli, vedoucí projektu, který působí v CEA a ESRF. Polovodivá nanovlákna jsou slibnými kandidáty pro elektronické přístroje budoucnosti, např. solární články, kde vědci pracují na integraci křemíkových nanovláken s cílem zvýšit jejich výkonnost.

Je základem světa geometrie?
Od starověku je známo, že existuje pouze pět pravidelných mnohostěnů, jejichž stěny jsou tvořeny pravidelnými n-úhelníky a v každém vrcholu se stýká stejný počet hran. Čtyřstěn (tetraedr), krychli (hexaedr), osmistěn (oktaedr), dvanáctistěn (ikosaedr) a dvacetistěn (dodekaedr). Platon na nich ve 4. stol. př. n. l. postavil své učení o podstatě hmotného světa, když čtyři z nich přiřadil jednotlivým živlům – zemi, vzduchu, ohni a vodě a dvanáctistěn jsoucnu, podstatě veškeré existence. Od té doby se tato tělesa nazývají platonská a byla a jsou stále předmětem zájmu. Leonardo da Vinci, který si s oblibou vyráběl dřevěné kostry mnohostěnů ilustroval knihu matematika Lucy Pacioliho(1445–1514) Divina proportione (Božská proporce), věnovanou pěti Platonovým tělesům, proporcím a zlatému řezu, univerzálnímu geometrickému poměru délek, projevujícím se kromě zmíněných těles i všude v přírodě – v anatomii rostlin, v chemii v krystalických strukturách a složení sloučenin, v astronomii, v polohách a drahách hvězd a planet. Obrazy a objekty, jejichž proporce se řídí pravidly zlatého řezu, vnímáme jako příjemné a dokonalé, i když vlastně nevíme proč.

Rubriky:  Technologie
Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce

Související články

Představení konceptu Vision iNext od BMW se uskutečnilo netradičně na palubě letadla

Představení konceptu Vision iNext od...

O autonomních automobilech píšeme pravidelně. Ve světě motorismu je...
Čeští vědci udávají světu směr v mikroskopickém zkoumání rostlin

Čeští vědci udávají světu směr v...

Vědci z olomouckého Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum (CRH)...
Robotický kamion od Volva

Robotický kamion od Volva

S projekty autonomních automobilů a tahačů se doslova v poslední době...
Budoucnost dopravy v městech podle automobilky Mercedes-Benz

Budoucnost dopravy v městech...

Jedna z nejznámějších německých automobilek Mercedes-Benz představila v Kodani...
Volvo představilo unikátní projekt autonomního auta

Volvo představilo unikátní...

Samořiditelné automobily začínají hýbat světem. Jednotlivé automobilky se...
Pomohou autonomní drony zraněným?

Pomohou autonomní drony zraněným?

Autonomní drony nejsou žádnou novinkou, nicméně na výstavě...
Používání GPS navigace v chytrých brýlích ovlivňuje fungování mozku

Používání GPS navigace v chytrých...

Moderní technologie nám usnadňují život v celé řadě oblastí: bez některých vynálezů...
Dočkáme se revolučního fotoaparátu bez čoček?

Dočkáme se revolučního fotoaparátu...

Technologie v oblasti fotografování pokračují neustále ve vývoji. Dokonce i...
3D tiskárna ve službách armády. Američané si tisknou betonová kasárna

3D tiskárna ve službách armády....

Americká námořní pěchota si v technologických vymoženostech posledních let...
Formule E a revoluční technologie se objevily v Praze

Formule E a revoluční...

Od čtvrtka do dnešního dne probíhá již druhý ročník Future Port Prague...

Nenechte si ujít další zajímavé články