Vědci už dlouho předpokládají, že permitivita (dielektrická konstanta) vody je na rozhraní s jiným materiálem nižší než v objemu, nikdo však nevěděl jak moc. Problémem se teď začal zabývat mezinárodní tým vědců, jejichž experimenty potvrzují, že rozhraní ovlivňuje hodnotu permitivity vody daleko víc, než se předpokládalo.
Permitivita je fyzikální veličina, která vyjadřuje míru odporu při vytváření elektrického pole. Udává, jak snadno se v elektrickém poli orientují elektrické dipóly molekul, a představuje velmi důležitý problém v řadě oborů: od studia DNA a proteinů až po elektrochemii.
Voda je vysoce polární substance, a přestože molekuly snadno mění svoji orientaci v objemu materiálu, orientace u povrchu může být zpomalena snižující se hodnotou permitivity ve vodě blízko povrchu oproti hodnotám naměřeným v objemu. Stanovení velikosti tohoto efektu dělalo vědcům dlouho těžkou hlavu.
Fyzici se už dlouhou dobu věnují studiu dielektrických vlastností struktur v nanorozměrech. Vědkyně Laura Fumagalli v roce 2012 publikovala práci o technice, která využívá mikroskop atomárních sil s citlivostí v řádu piconewtonů. Pomocí této metody je možné identifikovat nanočástice s identickým tvarem, avšak s různým chemickým složením. Využívá se k tomu právě supercitlivé měření permitivity. Tyto experimenty se původně nezaměřovaly na vodu, která vědcům nepřipadala jako zajímavý materiál. Teď se však ukázalo, že aplikování nové techniky právě na tuto substanci přináší převratné výsledky.
Na nejnovějších experimentech se vedle Laury Fumagalli, a vědců z Iránu, Španělska a Japonska, podílel také Andre Geim, nositel Nobelovy ceny za objev grafenu. Jeho znalost 2D materiálů byla pro celý výzkum zásadní.
Jedním z největších problémů bylo vytvořit systém, který by dokázal lokalizovat vodu v nanoměřítku. Naštěstí jedna z mnoha vlastností 2D materiálů je, že dobře zadržují vodu. Tady se dobře hodily zkušenosti s grafenem.
Tým nejprve experimentoval s jednodušším systémem, výsledky však nebyly přesvědčivé. V letech 2016 a 2017 vyvinul Andre Geim novou technologii umožňující vytvořit soustavu dvourozměrných materiálů a prvků, které obsahují nejmenší možné umělé kanály. Kromě řady dalších aplikací toto zařízení umožnilo studovat transport a vlastnosti vody uvnitř těchto miniaturních kanálů.
Nejdokonalejší systém obsahoval kanály tvaru štěrbiny vytvořené z krystalů grafitu jeden atom silných a z hexagonálního nitridu bóru. Fyzici mohli nastavit výšku kanálů na pouhý jeden nanometr, aby se do nich vešlo jen několik vrstev molekul vody.
Pokud se zredukuje množství vody, a ta je lokalizovaná blízko povrchů, takže zde zůstane pouze několik molekulárních vrstev, molekuly se nemohou volně pohybovat do objemu vody a permitivita klesá na hodnotu 2. To je velice malá hodnota, kterou u vody nikdo nepředpokládal. Tato anomálie je v přímém kontrastu s mimořádně vysokou permitivitou normální objemové vody, která je kolem 80.
Voda je považována za univerzální rozpouštědlo, fyzici jí proto poněkud poeticky přezdívají „rozpouštědlo života“. Důležitou veličinou je zde právě permitivita, což umocňuje význam výsledků Geimovy skupiny.
Dle zúčastněných vědců by bylo zajímavé zjistit, jestli se voda chová stejně v blízkosti jiných povrchů, a hlavně těch biologických. To, jak je voda polarizována v blízkosti biomolekul, totiž vytváří odlišnosti vůči očekávaným silám a má obrovský dopad na strukturování a následnou činnost těchto molekul.
Zjištěná anomálie v hodnotě dielektrické konstanty vody v kontaktu s jiným povrchem není pouze akademickou hříčkou, ale má zřetelný dopad na mnoho oborů. Elektrické interakce s molekulami vody hrají důležitou roli ve tvarování biologických molekul, jako jsou proteiny. Mezi další substance, které by mohly být vystaveny stejnému vlivu, patří jakákoliv polární kapalina. Velký význam tak může tento výzkum mít i pro elektrochemický průmysl, například pro výrobu baterií.
Celá práce byla uveřejněna v Science.
Mohlo by vás zajímat:
Vesmírná
mise otestuje kvantovou gravitaci
Jaderná
fúze v mikroskopických měřítkách
MiniBooNE
na stopě sterilním neutrinům
Fyzici
poprvé změřili tlak uvnitř protonu