Voda může zamrzat i při nižších teplotách, než je nula, ukázal český výzkum

Čeští vědci prokázali, že pokud se voda nachází ve velmi malém ohraničeném prostoru, tuhne až při teplotě desítek stupňů pod nulou. Přispěli tak k dalšímu pochopení chování vody v závislosti na různých podmínkách. Studii o experimentu publikoval prestižní časopis Americké chemické společnosti ACS Nano.

Na výzkumu pracoval tým vědců pod vedením Martina Kalbáče z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd a Jany Vejpravové a Jiřího Klimeše z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. „Tento objev otevírá zcela nové možnosti studia chemických procesů v podchlazených kapalinách a fyzikálních vlastností kapalin v extrémním prostorovém omezení, které je typické například pro mezibuněčné prostory,“ řekla k potenciálu objevu Vejpravová.

Voda stále překvapuje

Zatímco ke změně skupenství u čisté vody za normálního tlaku dochází při teplotě 0 °C, voda ve specifickém prostoru tuhne až při teplotě o 33 °C nižší. Vědci úkaz objevili tak, že molekuly vody uzavřeli do extrémně malých, nepropustných výdutí grafenu na velmi hladkém povrchu oxidu křemičitého.

Grafen je podle vědců atomárně tenká, průhledná forma uhlíku. Jeho struktura se podobá grafitu, tedy minerálu, který se dříve nazýval tuha. Tento takzvaný dvojdimenzionální materiál má také některé zvláštní fyzikální vlastnosti – je to například jeden z nejpevnějších známých materiálů na světě, jehož elektrony se chovají, jako by neměly žádnou efektivní hmotnost a pohybovaly se téměř rychlostí světla.

„Volba tohoto materiálu se navíc ukázala jako velmi šťastná, neboť tento atomárně tenký krystal, složený z atomů uhlíku uspořádaných ve vzoru včelí plástve, posloužil nejen k uzavření vody, ale i k samotnému experimentálnímu důkazu, že voda zamrzá až při velmi nízké teplotě,“ vysvětlil Martin Kalbáč.

Kvantový nanoled

Struktura takto vzniklého „nanoledu“ se podle vědců od běžného velmi liší. Normální led tvoří krystaly s takzvanou hexagonální krystalovou strukturou, molekuly vody uvězněné mezi hladkým oxidem křemičitým a zvrásněným grafenem ale vytvářejí krystalické jádro pouze ve středu výdutí. Molekuly vody v blízkosti grafenu jsou orientovány náhodně, to vede k takzvanému amorfnímu uspořádání. Tvar grafenových výdutí také značně ovlivňuje podíl amorfního ledu a tím i proces tání. Právě to je příčinou, proč voda může zamrzat až při tak extrémně nízkých teplotách.

Pro ověření experimentu vědci provedli simulace, při kterých sledovali rozpouštění ledu při vzrůstající teplotě a vliv rozpuštěné vody na grafen. Ukázalo se, že pro shodu s experimentální roztažností grafenu je třeba popsat atomy uhlíku pomocí kvantové mechaniky. Podle vědců tak nestačí uvažovat nad atomy jako bodovými částicemi, které se pohybují podle zákonů klasické fyziky, u nichž lze přesně určit jejich polohu. Musí být popsány jako kvantové částice. Je tedy možné mluvit jen o pravděpodobnosti jejich výskytu v daném bodě.

„Jelikož měl simulovaný systém téměř sto tisíc atomů, činí to tyto simulace jedněmi z největších, pro které byl tento kvantový popis kdy použit,“ uzavřel autor simulací Jiří Klimeš.

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

Na Velikonoce přichází jaro. V minulosti byly tropické i mrazivé

Velikonoce jsou díky dvěma svátkům a jednomu dni velikonočních prázdnin obdobím, kdy většina Čechů velmi ostře sleduje počasí. Často se sice nazývají „svátky jara“, ale nejen vzhledem ke svému pohyblivému kalendářnímu ukotvení můžou nabídnout velmi pestré podoby počasí. V letošním roce se zřejmě označení svátků jara naplní, počasí totiž bude opravdu jarní.
před 3 hhodinami

Orion se čtyřmi astronauty míří k Měsíci

Raketa Space Launch System s lodí Orion odstartovala ve čtvrtek v 0:35 středoevropského času na misi Artemis II, jejímž cílem je průlet lodi s posádkou kolem Měsíce, což lidstvo učiní poprvé od roku 1972. Raketa vzletěla z Kennedyho vesmírného střediska na Floridě a vynesla loď se čtyřmi astronauty na oběžnou dráhu, kde se Orion oddělil a pokračuje k Měsíci, který obletí ve vzdálenosti 7400 kilometrů. Na Zemi se vrátí po téměř deseti dnech v kosmu.
před 23 hhodinami

Artemis II odstartovala na cestu k obletu Měsíce

Několik let připravovaná mise Artemis II půl hodiny po půlnoci odstartovala, cílem je průlet lodi s posádkou kolem Měsíce, což lidstvo učiní poprvé od roku 1972. Hlavním plánem programu Artemis je pak návrat astronautů na Měsíc, což je nyní plánováno na rok 2028.
1. 4. 2026Aktualizovánovčera v 09:13

Návrat Evropy k jádru může být trnitý a nahrát Rusku

Ruská invaze na Ukrajinu a v současnosti i blízkovýchodní válka oživily v Evropě kvůli prudkému zdražování energií zájem o jádro. Evropská komise chce podpořit investice a budování malých modulárních reaktorů. Jde ale o běh na dlouhou trať. Po cestě navíc hrozí posílení závislosti na ruských zdrojích i protesty veřejnosti. Kvůli zablokovanému Hormuzskému průlivu mění energetickou strategii také některé asijské země.
včeraAktualizovánovčera v 08:38

Města tradičním stromům nepřejí. „Náhradníci“ ale mohou škodit

Klimatická změna nutí česká města měnit skladbu stromů v ulicích, dosavadní domácí druhy totiž stále častěji nezvládají kombinaci sucha, horka a znečištění. Náhrada odolnějšími, často nepůvodními dřevinami ale přináší nová zdravotní i ekologická rizika, vyplývá ze studie vědců Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci (UP).
1. 4. 2026

Čeští mladí začínají se sexem později, méně používají kondomy

Většina patnáctiletých v Česku nemá sexuální zkušenost. Teenageři první pohlavní styk stále častěji odkládají do pozdějšího věku, přičemž nejvýraznější posun psychologové sledují u dívek. Vyplývá to z výsledků dvacetileté studie Institutu pro psychologický výzkum (INPSY) Fakulty sociálních studií Masarykovy univerzity. Studie shromáždila data v šesti vývojových vlnách mezi lety 2002 a 2022 a zapojilo se do ní dvacet tisíc dospívajících, mezi nimi i žáci devátých tříd.
1. 4. 2026

„Nepamatuji si, jaké to bylo bez AI.“ Švýcarská mládež propadá chatbotům

Od studijních pomůcek po emocionální podporu se AI chatboti stávají pro mnoho mladých lidí ve Švýcarsku stálými společníky, což vyvolává obavy ohledně schopnosti soustředění, osamělosti a závislosti.
1. 4. 2026

Černý déšť v Íránu je jen začátek. Ve válce může jít o vodu

Americko-izraelská válka proti Íránu může na dlouhé roky poznamenat životní prostředí i zdraví obyvatel Blízkého východu. Obě strany konfliktu útočí na rafinerie či ropné sklady, což uvolňuje do ovzduší toxické látky. Pobřežní oblasti pak ohrožuje únik paliva z potopených lodí. Katastrofální následky mohou mít údery na odsolovací zařízení. Mezinárodní právo podobné útoky na civilní infrastrukturu zakazuje a experti hovoří o válečném zločinu.
1. 4. 2026
Načítání...