Molekuly vody v berylu kvantově tunelují. Kredit: Jeff Scovil / ORNL.

Když se nějaká částice setká s bariérou, která tuto částici převyšuje svojí energií, tak by se podle klasické mechaniky měla dotyčná částice odrazit zpět. Jenže kvantová mechanika dovoluje, aby v takovém případě částice mohla s určitou pravděpodobností projít skrz bariéru. Jako by se protunelovala. Říká se tomu tunelový jev, případně kvantové tunelování (quantum tunnelling). Od počátku devadesátých let minulého století víme, že se kvantové tunelování odehrává i ve vodě.

Alexander Kolesnikov. Kredit: ORNL.

Nedávno došlo k nečekanému objevu, když pokročilé zobrazovací metody a počítačové modely odhalily chování molekul vody, vzpírající se našim dosavadní představám. Nic takového jsme zatím neviděli u žádného plynu, kapaliny ani pevné látky. Alexander Kolesnikov z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) a jeho kolegové v článku uveřejněném časopisem Physical Review Letters popsali úplně nový „tunelovací“ stav molekul vody, obklopených ultratenkými kanálky o průměru 5 ångströmů, tedy 0,5 nanometru, v minerálu berylu. Jednotlivé atomy mívají průměr kolem 1 ångströmu a beryl je šesterečný minerál z berylia, hliníku a křemíku, mezi jehož ceněné odrůdy náležejí smaragd nebo akvamarín.

Akvamarín. Kredit: Vassil / Wikimedia Commons.

Na objevu se podílely experimenty s rozptylem neutronů a modelováním molekul laboratoří Spallation Neutron Source z ORNL a britské laboratoře Rutherford Appleton Laboratory. Podivuhodné chování molekul vody ve velmi stísněných podmínkách se zřejmě projevuje leckde, například v horninách, půdě nebo buněčných stěnách. Tohle bude zajímat odborníky spousty různých profesí. Objevitelé kvantového tunelování molekul vody očekávají rozruch mezi materiálovými vědci, biology i geology.

Spallation Neutron Source. Kredit: ORNL.

Podle Kolesnikova se projevuje kvantové tunelování molekul vody za nízkých teplot. Atomy vodíku a kyslíku z molekuly vody jsou delokalizované a vlastně se vyskytují na šesti symetrických pozicích uvnitř ultratenkých kanálků v berylu zároveň. Jak říká Kolesnikov, je to jeden z těch fenoménů, které se objevují ve kvantové mechanice a naše každodenní zkušenost je na ně krátká. Badatelé věří, že objev kvantového tunelování molekul vody napomůže lepšímu popisu termodynamiky a chování molekul vody v takových prostředích, jako jsou iontové kanály v buněčných membránách, uhlíkové nanotrubičky nebo třeba rozhraní minerálů. Pro Kolesnikova a spol. je nanejvýš vzrušující, že se takové kvantové kejkle zřejmě odehrávají v mnoha pěkných drahokamech.

Video:ORNL researchers discover a new state of water molecule

Video: What is Quantum Tunneling? (Principle and Practice)

Literatura

ORNL 22. 4. 2016, Physical Review Letters 116: 167802 (online 22. 4. 2016), Wikipedia (Quantum tunneling of water).