Může to znít jako jako dětský dotaz, ale skrývá se za ním vážná vědecká otázka: kolik molekul vody stačí k tomu, aby se vytvořil nejmenší možný ledový krystal? Nad tímto dotazem společně bádali vědci z pražské VŠCHT a vědeckých institucích v Německém Göttingenu.
Zjistili, že ledový nanokrystal musí mít alespoň 275 molekul vody. To je překvapivý výsledek, doposud se předpokládalo, že ke krystalizaci ledu bude potřeba více než tisíce molekul vody.
Jedna či dvě molekuly vody se nechovají ani jako kapalina ani jako krystal, běžná dešťová kapka vody obsahuje více než 1020 molekul. Práce česko-německého týmu ukazuje, že i hodně malé shluky molekul se již chovají jako látky známé ze světa našich rozměrů.
Vědci však nestudovali krystalizaci kapalné vody, ale zaměřili se na kondenzaci amorfní a krystalické vody přímo z plynné fáze.
Nejdříve vytvořili nanokrystalky všech různých velikostí, na něž se usadil atom sodíku. Z toho lze snadno odtrhnout elektron, čímž vzniknou nabité částice. S nabitými částicemi už molekulární fyzikové umí dobře pracovat.
Pomocí elektrického pole je možné s nabitou částicí libovolně manipulovat a také snadno zjistit její hmotnost. Díky sodíku je tak možno rozlišit velikost částic. Sodík navíc funguje jako nano-teploměr: elektron se z něj vyrazí tím snadněji, čím je částice teplejší.
Nanočástice vody je možné zahřát laserem v infračervené oblasti (tak jako se běžně zahříváme infračervenými paprsky sálajícími z horkých kamen). Ledový krystal je přitom zahříván jinými vlnovými délkami než amorfní voda.
Experiment je tak tvořen tryskou vytvářející vodní nanočástice, komůrkou pro zachycení sodíkových atomů, infračerveným laserem ohřívajícím nanočástice, ultrafialovým laserem, vyrážejícím elektrony a elektronovým a hmotnostním detektorem.
„Takovéto děje hrají velkou roli v horních vrstvách atmosféry a v celém planetárním systému“, vysvětluje prof. Buck. Výzkum tvorby vodních nanočástic tak může pomoci při modelování atmosféry a ve výzkumu klimatu.
Na krystalcích a kapičkách vody se odehrávají důležité chemické reakce. Například ozónová díra nad Antarktidou vzniká díky tzv. polárním stratosférickým oblakům tvořeným krystalky vody spolu s kyselinami dusičnou a sírovou.
Na těchto krystalcích vznikají z neškodného chlorovodíku chlorové atomy, které rozkládají ozón. Odhalení tohoto mechanismu vedlo k udělení Nobelovy ceny za chemii již v roce 1995. „O vzniku a struktuře malých vodních částic v atmosféře toho víme strašlivě málo. Experimenty v laboratoři a molekulární simulace jsou asi nejschůdnější cestou, jak se o těchto věcech něco dozvědět,“ podotýká Petr Slavíček.
– TZ VŠCHT –
