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

Estonští vědci odhalili nebezpečné výkyvy vody mezi Varenským jezerem a Černým mořem

V úzkém přístavním kanálu mezi Černým mořem a Varenským jezerem mohou vznikat nečekaně silné proudy a výrazné výkyvy hladiny, které ohrožují lodní dopravu a komplikují provoz přístavu. Příčiny tohoto jevu zkoumali vědci z Tallinské technické univerzity TalTech. Své závěry publikovali v odborném časopise Ocean Science.
před 8 hhodinami

Dekády starý matematický problém AI vyřešila za desítky hodin. Ale možná kradla

Na matematiku specializovaná umělá inteligence (AI) od společnosti OpenAI vyřešila desítky let nevyřešený problém. Předběhla tak lidské matematiky, kteří se snažili udělat to samé – a možná při tom i využila jejich data. Podle českého matematika Vítězslava Kaly jde v každém případě o mimořádný úspěch.
před 11 hhodinami

V Egyptě objevili 4300 let starou hrobku. Malby jsou stále jako živé

Španělští archeologové objevili nedaleko egyptské metropole Káhiry 4300 let starou hrobku, která patří dvěma úředníkům. Oznámilo to egyptské ministerstvo cestovního ruchu a památek.
před 15 hhodinami

Špinavý vzduch zabíjí tisíce Čechů. Podívejte se na srovnání evropských měst

Rostoucí počet vln veder a požárů ohrožuje snahy o zlepšení kvality ovzduší, varovala tento týden Světová meteorologická organizace (WMO). Ve své výroční zprávě o kvalitě ovzduší organizace spadající pod OSN také upozorňuje, že kouř z extrémních lesních požárů má zásadní zdravotní dopady.
před 19 hhodinami

Enterprise poprvé vzlétla před 60 lety. Otestujte si znalosti fenoménu Star Trek

Americký televizní seriál Star Trek se několikrát zapsal do dějin. Sága posádky lodi Enterprise putující vesmírem pod vedením kapitána Jamese Kirka divákům ukazovala například to, že mohou spolupracovat tvorové různých ras. Star Trek byl také prvním pořadem, ve kterém běloch políbil černošskou ženu. Když se přitom před šedesáti lety, 8. září 1966, objevil na obrazovkách první díl dnes už legendární série, na velký úspěch to nevypadalo.
8. 9. 2026

Česko trápí stovky kontaminovaných míst. Podívejte se na aktuální mapu

Dědictví minulosti, ve které se nedbalo na ochranu životního prostředí, si Česko nese i v současné době. Aktuální kauza možného znečištění v bývalém vojenském prostoru Dobrá Voda na Klatovsku je jen pomyslným vrcholem ledovce. Míst, která by potřebovala sanaci, je totiž mnohem víc.
8. 9. 2026

Připravte se na nový svět, radí OSN. Planeta se oteplí o víc než 1,5 stupně

Rok 2024 znamenal začátek nové éry. Byl totiž prvním, kdy průměrná globální teplota překročila úroveň před průmyslovou revolucí o 1,5 stupně Celsia. Nová zpráva OSN teď přiznává, že se lidstvo bude muset – přinejmenším dočasně – smířit s tím, že tato symbolická hranice bude překročená nejen na jeden rok a že oteplení dosáhne nejméně 1,8 stupně. Zpráva současně popisuje, co to pro civilizaci znamená.
8. 9. 2026

Vědci z Harvardu připodobňují šíření umělé inteligence k šíření viru

Šíření umělé inteligence (AI) je neporovnatelně rychlejší než úspěch jakékoliv jiné technologie v dějinách lidstva. Její přijetí je výrazně dynamičtější než nástup automobilů, stolních počítačů i internetu. První veřejný chatbot ChatGPT sice vznikl teprve na podzim roku 2022, ale už dnes AI používá většina lidí. Podle nové studie amerických vědců je to podobné infekci virem.
8. 9. 2026

Evropský pohled

ČT24 každý den vybírá z obsahu publikovaného evropskými veřejnými médii, členy Eurovize.