Vodná para vo vzduchu sa v chladných dňoch môže premeniť na pevný ľad, ktorý v tenkej vrstve pokrýva napríklad okenné tabule. Pri skúmaní tohto zdanlivo obyčajného, no doteraz málo prebádaného javu, objavili čínski a americkí fyzici nový spôsob, ako môže ľad na povrchu rásť.
Nízkodimenzionálny ľad môže vznikať tam, kde je voda uzatvorená medzi dvoma pevnými povrchmi. Tento stav je v prírode všadeprítomný a hrá kľúčovú úlohu v chémii, biológii či v atmosférických alebo materiálových vedách. Poznať štruktúru takýchto vrstiev je preto veľmi dôležité.
Zobrazená 2D vrstva
Fyzici z Nebraskej univerzity a z Pekinskej univerzity použili bezkontaktný atómový silový mikroskop (AFM, atomic force microscope) v kombinácii s teoretickými výpočtami a študovali, ako dvojrozmerný ľad rastie na povrchu zlata. Podarilo sa im zobraziť 2D vrstvu ľadu s hexagonálnou štruktúrou silnou 2,5 Å (ångström, dĺžková miera používaná v spektroskopii; jeden Å sa rovná 10⁻¹⁰ m). Vyrástla na hydrofóbnom povrchu (111) pri teplote okolo 120 kelvinov (-153 °C).
Hrot použitého AFM bol opatrený molekulou karbónmonoxidu. Vďaka vysokej flexibilite a slabej povahe elektrostatickej sily hrot interaguje so vzorkou vody len slabo. To obmedzuje možnosť poškodenia krehkej štruktúry, ktorá sa vytvára na hrane ľadu, a umožňuje získať obrázky nestabilnej medziľahlej štruktúry, v ktorej sú rozpoznateľné atómy vodíka a kyslíka vo vode.
Hneď ako ľadová vrstva prestala rásť, vedci vzorky schladili na 5 K (-268 °C), aby predĺžili čas na zobrazovanie. Vďaka tomu, že vzorky zmrazili, mohli rekonštruovať rast ľadovej vrstvy s atómovou presnosťou.
Kreslové hrany
V práci tohto typu hrá veľmi dôležitú úlohu kryštalografická štruktúra tenkej vrstvy ľadu. Hlavným typom ľadu, ktorý sa v prírode vyskytuje, je ľad s hexagonálnou štruktúrou. Toto usporiadanie molekúl vody je tiež dôvodom, prečo majú všetky snehové vločky kryštalickú šesťuholníkovú symetriu. Bazálna rovina tejto formy ľadu má štruktúru, ktorá je veľmi podobná jednoduchému 2D ľadu. To môže viesť k dvom typom okrajovej štruktúry (hrán), ktorým sa hovorí kľukatá (zigzag) a kreslová (armchair). Zvyčajne prevládajú kľukaté hrany, zatiaľ čo kreslové bežne úplne chýbajú. Je to spôsobené vysokou hustotou voľných vodíkových väzieb, ktoré zvyšujú energiu týchto hrán, a tým znižujú ich stabilitu.
Vedci však zistili, že keď ľad rastie iba v dvoch dimenziách, kreslové hrany môžu byť v skutočnosti veľmi stabilné. Ba čo viac, rast týchto hrán prebieha doteraz neznámou reakciou, v ktorej sú v prechodnom stave rastu prítomné päť- a sedemčlenné prstence molekúl vody.
Tento výsledok, ktorý potvrdili aj počítačové simulácie, sa zásadne odlišuje od predchádzajúcich meraní, kde boli pozorované iba kľukaté hrany a výhradne šesťčlenné prstence molekúl vody.
Vedci tak po prvý raz potvrdili existenciu skutočného 2D ľadu, ktorý dostal prezývku 2D ice I. Súčasne tým otvorili dvere na využitie ďalších fáz 2D ľadu, teda fáz, ktoré sa vyskytujú v prírode. 2D dvojvrstva hexagonálneho ľadu bola prvý raz predpovedaná v roku 1997, priamo pozorovať jej atómovú štruktúru, ktorá má úplne saturovanú štruktúru vodíkových väzieb, sa vedcom podarilo vôbec prvý raz.
Nádej pre vodičov
Novonadobudnuté poznatky sa môžu uplatniť pri vývoji nových materiálov, z ktorých bude možné ľad ľahšie odstrániť. Ďalší výskum v tejto oblasti by podľa vedcov mohol úplne zmeniť súčasné chápanie nízkodimenzionálneho ľadu, a tak pomôcť inžinierom vyvinúť nové nenamŕzajúce alebo supermazacie materiály. To by bolo užitočné pre viacero odvetví, napríklad pre prevádzku veterných turbín, ktoré nemôžu fungovať, keď je ich povrch pokrytý ľadovou vrstvou. Na praktické využitie sa môžu tešiť aj vodiči áut, keďže v zime by sa nemuseli trápiť so zoškrabovaním námrazy z okien.
Vedci sa teraz sústreďujú na to, ako sa 2D ľad mení na 3D štruktúru. Tá je totiž pri tvorbe ľadu všeobecne významnejšia. Očakáva sa, že 2D rastový mód môže pretrvať až do určitej hrúbky, keď vo vrstve dôjde k štruktúrnej transformácii z plochej zaplnenej dvojvrstvy na vzájomne prepojené dvojvrstvy. Je to podobný proces, ako keď sa grafit mení na diamant.
BP
Foto Pixabay