Výskumníci z Národného laboratória Oak Ridge (Oak Ridge National Laboratory) v spolupráci s Laboratóriom Rutherforda Appletona (Rutherford Appleton Laboratory) uskutočnili experiment, ktorého cieľom bolo určiť stav, v akom sa nachádza kvapalina v mikrotrhlinách hornín a pôdy, ako aj pri prechode cez bunkové membrány. Tento objav sa však ukázal byť oveľa významnejším a neočakávanejším.
V rámci experimentu bola voda umiestnená do šesťuholníkových, extrémne malých kanálikov v mineráli beryl (chemický vzorec Be3Al2(Si6O18)) – mineráli, ktorý tvorí základ smaragdov. Priemer skúmaných kanálikov bol len 0,5 nanometra.
Zistilo sa, že molekuly vody vykazujú jav kvantového tunelovania, ktorý im umožňuje prekonať potenciálovú bariéru. Tento stav vody vedci predtým nikdy nepozorovali a nezodpovedal žiadnemu z bežných stavov tejto látky.
Hoci samotný jav – kvantové tunelovanie – je známy už dlho, doteraz sa predpokladalo, že existuje iba v oblasti kvantovej mechaniky.
Pri nízkych teplotách (5 – 50 K) táto „tunelujúca“ voda vykazuje kvantové vlastnosti – čo je v klasickom svete nemožné. „V tomto prípade sú atómy kyslíka a vodíka ‚delokalizované‘, čo znamená, že existujú súčasne v šiestich symetrických polohách v rámci kanálika,“ vysvetľuje hlavný autor štúdie Alexander Kolesnikov v tlačovej správe na webovej stránke Americkej fyzikálnej spoločnosti (APS).
Analýza vzoriek pomocou neutrónového rozptylu, nasledovaná počítačovým modelovaním možných konfigurácií, odhalila, že atómy molekúl vody sa v priestore šesťuholníkového kanálika stávajú „delokalizovanými“; nemajú jednu pevnú orientáciu. Namiesto toho zaujímajú všetkých šesť možných polôh súčasne.
Jednoduchšie povedané, tento jav možno opísať nasledovne. Predstavme si molekulu vody vo vnútri šesťuholníkového kanálika. Molekula obsahuje atóm kyslíka umiestnený takmer presne v strede kanálika, zatiaľ čo jej dva atómy vodíka smerujú k jednej zo šiestich stien kanálika. Predtým sa predpokladalo, že molekula vody sa v kanáliku nemôže fyzicky otočiť, aby zmenila svoju orientáciu – kanálik bol jednoducho príliš úzky. Tento výskum však odhalil, že molekula vody môže v skutočnosti zmeniť svoju orientáciu z jednej steny na druhú bez toho, aby prešla cez akúkoľvek medzipolohu. Namiesto toho „tuneluje“ zo svojej pôvodnej orientácie do konečnej, čím v podstate obchádza potenciálovú bariéru, ktorá by inak tieto dva stavy oddeľovala. Keďže je všetkých šesť možných orientácií rovnocenných, proces tunelovania prebieha rovnako medzi ktorýmikoľvek z nich. Hoci je ťažké predstaviť si to pomocou pojmov klasickej fyziky, možno si to predstaviť tak, že dva atómy vodíka v molekule H2O sú v rámci kanálika akoby „rozprestreté“ a vytvárajú prstencovité rozloženie hustoty okolo jeho stredu.
Zaujímavé je, že samotné uzavretie molekúl vody do úzkeho priestoru na vyvolanie tohto tunelovacieho stavu nestačí. Počítačové simulácie ukázali, že vibrácie kryštálovej štruktúry berylu fungujú ako „katalyzátor“, ktorý spúšťa prechod molekúl vody do tohto tunelovacieho stavu.
Ďalšou pozoruhodnou skutočnosťou je, že táto takzvaná „berylová voda“ nemá žiadny dipólový moment. Za bežných podmienok nesú atómy vodíka v molekule vody kladný náboj a smerujú na jednu stranu, zatiaľ čo záporne nabitý atóm kyslíka smeruje na opačnú stranu. V tomto mineráli však molekule vody úplne chýbajú zreteľné kladne a záporne nabité „póly“. Objav nového stavu molekúl vody v beryle môže pomôcť pri chápaní termodynamických vlastností vody v rôznych geologických podmienkach, ako aj v uzavretých priestoroch (napríklad v uhlíkových nanorúrkach).
Výskumníci z Massachusettského technologického inštitútu (MIT) zistili, že voda uväznená v drobných dutinách uhlíkových nanorúrok sa správa nezvyčajne: dokáže úplne zamrznúť pri teplotách vysoko nad bodom varu – teda nad 100 °C.
Hoci voda prechádza do pevného skupenstva, vedci sa zdráhajú nazvať tento stav „ľadom“, keďže nejde o ľad v bežnom zmysle slova – je to jednoducho pevná voda. Tento zvláštny stav hmoty zostáva stabilný aj pri izbovej teplote. Vedci uvažujú o vytvorení akéhosi „ľadového drôtu“, ktorý by dokázal viesť protóny desaťkrát efektívnejšie než v súčasnosti dostupné materiály.
Preložil: OZ Biosféra www.biosferaklub.info