Voda jako dvě různé kapaliny. Kredit: Mattias Karlén / Stockholm University.

Vodu, tedy H2O, obvykle považujeme za kapalinu tvořenou neuspořádanými molekulami. Vědci Stockholmské univerzity ale zjistili, že kapalnou vodu za jistých okolností vlastně tvoří fáze kapaliny, které se podstatně liší strukturou a hustotou. Jejich výzkum, založený na analýze pomocí rentgenového záření, nedávno publikoval prestižní časopis Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).

Lidé obvykle vědí, že voda je nezbytná pro život na Zemi. Méně se už ví, že voda je vlastně velmi podivná chemická látka. Má mnoho anomálních a zvláštních chemických a fyzikálních vlastností, které ji odlišují od ostatních kapalin. A shodou okolností je řada těchto vlastností příznivá pro živé organismy.

Anders Nilsson. Kredit: Stockholm University.

Anders Nilsson a jeho spolupracovníci přišli na to, že za nízkých teplot, kdy dochází k pomalé krystalizaci ledu, může voda existovat v podobě dvou různých kapalin. Vědci zkoumali vodu na dvou zařízeních, které mají k dispozici rentgenové paprsky pro analýzu materiálů. V amerických laboratořích Argonne National Laboratory poblíž Chicaga prozkoumali odlišné struktury těchto dvou fází vody. A v německých laboratořích výzkumného centra DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) v Hamburku zase analyzovali dynamiku objevených kapalin a potvrdili, že skutečně jde o dvě různé kapalné fáze vody. Nakonec dospěli k závěru, že voda může existovat jako dvě různé kapaliny. Badatelé využili toho, že je možné použít rentgenové paprsky k určení pozic molekul v různém čase. Díky tomu mohli sledovat změny ve vzorku vodu za nízkých teplot.

Většinu vodního ledu na planetě tvoří nikoliv krystalický, ale amorfní led. Přitom existují dvě formy amorfního ledu – amorfní led s nízkou hustotou a amorfní led s vysokou hustotou. Voda může mezi těmito formami ledu za jistých okolností přecházet. Odborníci se již dříve domnívali, že by se dvěma formami amorfního ledu mohly souviset dvě formy kapalné vody – jedna s nízkou hustotou a druhá s vysokou hustotou.

Laboratoře DESY, Hamburk. Kredit: Uvainio / Wikimedia Commons.

Zní to jednoduše, ale ověření tohoto na první pohled rozumného předpokladu se ukázalo být tvrdým oříškem. Švédové to ale nakonec zvládli. Nové výsledky ukazují, že voda se vlastně za pokojové teploty nemůže „rozhodnout“, ve které podobě bude existovat – zda bude mít nízkou hustotu anebo vysokou hustotu. To vede k lokálním fluktuacím mezi těmito fázemi vody. Podle autorů objevu to je docela prosté. Voda není komplikovanou kapalinou s divnými vlastnostmi. Voda vlastně je dvěma jednoduchými kapalinami s velmi komplikovaným vztahem.

Stockholm University.

Nové poznatky o struktuře kapalné vody teď nepochybně ovlivní náš pohled na chování vody za různých teplot a tlaků. Stejně tak se projeví v tom, jak vnímáme interakci vody se solemi anebo třeba s biomolekulami. Určitě se také vážně zamyslí inženýři, kteří vyvíjejí technologie čištění nebo odsolování vody. Vody jsou vlastně dvě, kdo by to byl řekl?

Video:  Catalysis in Real Time. Anders Nilsson.

Literatura
Stockholm University 29. 6. 2017, PNAS online 23. 6. 2017.