Výzkum vědců z univerzity v Göttingen a z VŠCHT Praha odhaluje vznik ledových nanočástic v atmosféře.
Kolik molekul je potřeba k vytvoření nejmenšího krystalku ledu? Na tuto doposud nevyřešenou otázku nyní odpovídá tým vědců z Göttingen a z Prahy: ledový nanokrystal musí mít alespoň 275 molekul vody. Pochopení struktury malých vodních částic povede ke kvalitnějším modelům chemických dějů v atmosféře či vývoje klimatu. Výsledky výzkumu týmů Dr. Thomase Zeucha (Univerzita Göttingen), Prof. Udo Bucka (Ústav Maxe Plancka pro dynamiku a samoorganizaci, Göttingen) a doc. Petra Slavíčka z pražské Vysoké školy chemicko-technologické byly nyní publikovány v prestižním vědeckém časopise Science.
Mikroskopická struktura vody je na první pohled odlišná od struktury ledu, o čemž nás přesvědčí třeba popraskaná láhev s limonádou v mrazicím boxu. Prostorově náročnější architektura ledu je typická svým šestiúhelníkovým uspořádáním, přesněji mluvíme o hexagonální krystalové mřížce, kdežto v kapalné vodě jsou molekuly nahloučené náhodně.
Nanočástice o malém počtu molekul se do krystalu za žádných okolností neuspořádají, molekuly se zhroutí a vytvoří amorfní kouli. Teprve od určité velikosti se uvnitř této koule začne vytvářet zárodek krystalové struktury. „První projevy krystalizace se objevují pro shluky 275 molekul vody a pro 475 molekul je už krystal prakticky hotový,“ říká Petr Slavíček. To je překvapivý výsledek, doposud se předpokládalo, že ke krystalizaci ledu bude potřeba více než tisíce molekul vody. Experiment tak odpovídá na základní otázku, která vědcům nedá spát: kolik částic je třeba, aby se z molekul stal „materiál“. 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.
Týmy z Göttingenu a z Prahy nestudovaly krystalizaci kapalné vody, ale zaměřily se na kondenzaci amorfní a krystalické vody přímo z plynné fáze. „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.
Prozkoumat strukturu extrémně malých nanočástic nebylo jednoduché. Nový přístup studia vodních nanočástic a aerosolů představuje výsledek dlouholeté spolupráce mezi göttingenskou laboratoří a pražskou teoretickou skupinou Petra Slavíčka. Pražská laboratoř se otázkám modelování chemie a fotochemie atmosférických aerosolů věnuje již několik let v úzké spolupráci s experimentátory z Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského. Na tomto ústavu, v laboratoři Dr. Michala Fárníka, jsou nyní i pomocí nové metody zkoumány vodní částice, na kterých dochází k rozkladu ozónu ve svrchních vrstvách atmosféry.
Dodatek: Jak se zkoumá nanokrystal?
Krystalová struktura látek se obvykle zkoumá pomocí difrakce (ohybu) rentgenového záření. Takto je možné zjistit strukturu třeba kamenné soli, ale i velmi složitých molekul, například struktura dvoušroubovice DNA byla odhalena přesně tímto způsobem. S krystalky o pouhých několika desítkách atomů to není tak jednoduché. „Pro vodní částice klasické metody nepřichází v úvahu, mimo jiné proto, že není možné připravit větší množství vodních nanokrystalků o stejné velikosti. Láhev s nanokrystaly si nikde nekoupíte,“ podotýká doc. Slavíček. Při experimentu vyvíjeném v Göttingen se na věc jde jinak. Nejdříve se vytvořily 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.
Původní práce:
Cristoph C. Pradzynski, Richard M. Forck, Thomas Zeuch, Petr Slavíček, Udo Buck, A fully size-resolved perspective on the crystallization of water clusters, Science 337, 1529-1532 (2012) 2012.
Doc. Petr Slavíček (*1976) působí na katedře fyzikální chemie a na Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, v.v.i. Vystudoval Přírodovědeckou fakultu UK. Po několikaletém postdoktorandském působení ve Spojených státech (University of Illinois) založil na VŠCHT Praha vlastní pracovní skupinu. Zaměřuje se na teorii chemické struktury a reaktivity, se zvláštním zaměřením na děje vyvolané světlem. Publikoval přes 70 prací ve impaktovaných mezinárodních časopisech, tyto práce byly doposud citovány více než 800krát. Jeho práce nacházejí odezvu v rozmanitých oblastech, od chemie atmosféry přes biofyziku po radiační chemii. Kromě své vědecké a pedagogické práce se věnuje také popularizaci chemie a podílí se na organizaci chemických olympiád na národní i mezinárodní úrovni.
Shluky malého počtu molekul vody vedou ke kulovitým amorfním částicím. Částice o přibližně 275 molekulách začnou již vykazovat zárodek šesterečného krystalického uspořádání, pro velké klastry je již jasně patrné krystalické jádro, povrch nanočástice zůstává amorfní.