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

Data: Proti chřipce nejsou očkované tři čtvrtiny lékařů a drtivá většina sester

Evropská unie doporučuje, aby bylo očkovaných nejméně 75 procent pracovníků ve zdravotnictví. Aktuální údaje z Česka ale ukazují, že tohoto čísla v případě vakcíny proti chřipce nedosahuje ani jediná skupina zdravotníků a proočkovanost je mezi nimi výrazně nižší.
před 17 hhodinami

Vědci sestavili obří mapu vesmíru, naznačili zpochybnění Einsteinovy konstanty

Pět let trvalo, než vznikla nejkvalitnější mapa kosmu, která zachycuje 47 milionů galaxií. Vědci ji chtějí využít pro pochopení toho, jak se chová a jak je rozložená takzvaná temná energie, která tvoří většinu vesmíru. Sběr dat reálně trval kratší dobu, než bylo v plánu, celý proces totiž narušila covidová pandemie.
před 18 hhodinami

Svět padá do AI pasti, tvrdí ekonomové

Umělé inteligence (AI) rychle zvyšují automatizaci v mnoha oborech. Rychlost a rozsah těchto změn jsou tak velké, že to dle nového výzkumu může ohrozit i samotné firmy. V rozhovoru pro ČT24 autoři nové studie popsali, jak by nastíněný celosvětový problém řešili právě oni.
před 20 hhodinami

Nové poznatky o lidoopech narušují představu o výjimečnosti lidské mysli

Lidoopi dokážou předstírat hru s neexistujícími předměty, měnit svá přesvědčení podle síly nových informací a pamatovat si známé tváře i po více než čtvrt století. Série studií z posledních let, které shrnuje britský list The Guardian, výrazně mění pohled vědců na mentální schopnosti nejbližších příbuzných člověka a zpochybňuje dřívější představy o jedinečnosti lidské mysli.
před 22 hhodinami

V USA jsou dostupná lidská embrya na zakázku. Vědci varují před eugenikou

Američtí rodiče se stále víc obracejí na soukromé firmy, které jim slibují dodat geneticky ideální embrya. Tyto děti by měly mít vyšší IQ, měly by se dožívat vyššího věku a měly by tedy mít v životě lepší šance než zbytek populace. Experti na etiku to považují za znepokojivé.
26. 4. 2026

Před čtyřiceti lety došlo ke katastrofě v Černobylu

Katastrofa v jaderné elektrárně Černobyl v dubnu 1986 zničila rozsáhlé území v Sovětském svazu, vyvolala na desítky let strach z atomu a měla i mnoho dalších negativních dopadů na celou Evropu.
26. 4. 2026

Fotbalové mistrovství vyprodukuje obří emise. Samo se potýká s nepřízní klimatu

Mistrovství světa ve fotbale (MS) v roce 2026 bude v mnoha ohledech přelomové. Poprvé se odehraje ve třech zemích současně – Spojených státech, Kanadě a Mexiku. Poprvé se ho zúčastní 48 týmů, které se utkají ve 104 zápasech, místo 32 týmů a 64 utkání. Tento „největší šampionát historie“ může být zároveň i klimaticky nejproblematičtější. Odhady naznačují, že celková uhlíková stopa turnaje přesáhne devět milionů tun emisí odpovídajících ekvivalentu oxidu uhličitého. To je výrazně více než u předchozích šampionátů, a to téměř o dvojnásobek.
25. 4. 2026

„Krakeni“ z vrcholu potravní pyramidy mění představy o pravěkých mořích

Japonští vědci díky kombinaci několika moderních technologií popsali druh druhohorní chobotnice, která mohla svými rozměry přinejmenším soupeřit s největšími obratlovci své doby. Tento agresivní predátor navíc disponoval nečekaně vysokou inteligencí.
24. 4. 2026
Načítání...