Nový výzkum ukazuje, že voda možná není jedna tekutina, ale dvě. A že právě tato dvojí povaha může vysvětlit jeden z největších fyzikálních paradoxů přírody.
Voda není jen jedna
Během posledních let vyvrcholila desetiletí trvající debata ve fyzice kondenzovaných látek: existují ve vodě dva různé tekuté stavy, mezi nimiž se může přepínat za extrémních podmínek — konkrétně při velmi nízkých teplotách a vysokém tlaku. Tento jev vědci označují jako LLPT (liquid–liquid phase transition).
Hypotéza vznikla už v 90. letech, ale dlouho nebyla experimentálně ověřitelná. Letité limity v měření ultrarychlých změn ve struktuře vody způsobovaly, že výzkum narážel na takzvaný „no-man’s-land“ — oblast teplot a tlaků, kde voda mrzne tak rychle, že tradiční metody detekce selhávají.
Průlom přinesla až kombinace:
rentgenové laserové difrakce (XFEL),
ultrarychlých spektroskopických technik,
a pokročilých simulací založených na kvantové mechanice.
Výsledkem je první přesvědčivý důkaz, že voda může existovat jako:
vysoce hustá tekutina (HDL – high-density liquid),
nízce hustá tekutina (LDL – low-density liquid).
Tyto dva stavy mají odlišné uspořádání vodíkových vazeb a liší se i dynamikou molekul. Není to sice přepnutí, které bychom viděli v hrnci v kuchyni, ale na mikroskopické úrovni se odehrává neuvěřitelně dramatické dění.
ČTĚTE TAKÉ: Voda, která si pamatuje: fascinující experimenty s molekulární strukturou
Proč je to důležité
Dvojí tekutost by mohla vysvětlit většinu anomálií vody, které nás trápí desítky let:
Proč se voda při ochlazování rozpíná (což je unikát mezi kapalinami).
Proč má teplotní maximum hustoty při 4 °C.
Proč je led méně hustý než kapalná voda a díky tomu plave.
Proč vykazuje nelineární změny viskozity a kompresibility.
A ještě zásadnější dopad: pokud je možné, aby se voda přepínala mezi dvěma strukturami, může to mít vliv na:
1) Pochopení života na Zemi
Enzymy, DNA i buněčné membrány fungují jen díky specifickým vlastnostem vody. Dvojí tekutost může být mechanismus, který umožnil vznik stabilních biologických systémů.
2) Modelování klimatu
Chování polárního ledu, atmosférické turbulence i tvorba mraků závisejí na vlastnostech vody. Upřesnění fyzikálních modelů může zlepšit predikce klimatických změn.
ČTĚTE TAKÉ: Vesmírná voda: proč může mít Pluto oceán hlubší než všechny pozemské moře
3) Astrobiologii
Pokud voda jinde ve vesmíru existuje v podobném stavu, může to rozšířit okruh potenciálně obyvatelných planet. Například oceány na Europě nebo Enceladu mohou mít oblast s preferencí LDL či HDL struktury — a to ovlivňuje pohyb živin, energii i chemické procesy.
Jak to víme
Důkaz dvojí tekutosti je výsledkem řady nezávislých experimentů, které se vzájemně potvrzují:
Rentgenová difrakce na XFEL
Fotonové pulsy o délce femtosekund umožnily zachytit molekulární strukturu vody dřív, než zmrzne. Vědci tak „viděli“ přeskakování mezi LDL a HDL.
Simulace založené na ab initio metodách
Velké počítačové simulace molekulárního chování vody naznačují existenci kritického bodu mezi oběma tekutinami. Tento kritický bod leží v extrémním rozmezí — typicky kolem 180–200 K a stovek megapaskalů.
Studium amorfního ledu
Vědci už delší dobu vědí, že led existuje ve dvou amorfních formách – LDA a HDA. To je silná analogie k dvojím tekutinám. Pozorování přechodu mezi těmito stavy poskytlo nepřímý důkaz LLPT.
Termodynamické měření anomálií
Změny kompresibility, tepelné kapacity a viskozity odpovídají predikcím modelu se dvěma tekutinami.
Tato shoda mezi experimenty i teorií činí hypotézu o dvou tekutostech nejsilnější za posledních 30 let.
ČTĚTE TAKÉ: Skleněná voda: podivná fáze hmoty, která je pevná jako led, ale chová se jako kapalina
Co je ještě sporné
Vědecká komunita se shoduje, že „dvojí povaha“ vody je velmi pravděpodobná, ale není uzavřenou kapitolou:
Není jednoznačně určeno přesné umístění kritického bodu — různé modely se liší v řádu desítek kelvinů a stovek megapaskalů.
Některé experimenty se dají interpretovat i bez existence dvou tekutin, například pomocí kontinuálního spektra lokálních struktur.
Technologická omezení stále komplikují měření hluboko v „no-man’s-land“, což znamená, že část dat je stále extrapolovaná.
Jinými slovy: důkaz je silný, ale teprve technologie příští dekády (rychlejší lasery, přesnější detekce a pokročilejší simulace) umožní určit, zda je LLPT definitivní fakt, nebo jen velmi přesvědčivý model.
Tajemství vody je možná složitější, než jsme mysleli
Možná voda není jen „prostá kapalina“, ale dynamický systém dvou skrytých světů, které se prolínají a zápasí o dominanci. A tato složitost může být jedním z důvodů, proč právě voda umožnila vznik života — a proč je stále plná záhad.
Když zvedneme sklenici vody, držíme v ruce látku, která je zároveň známá i cizí. A každý nový experiment ukazuje, že o ní víme méně, než jsme si mysleli.
Zdroje
Debenedetti, P. G., & Stanley, H. E. (2003). Supercooled and glassy water. Physics Today, 56(6), 40–46. https://doi.org/10.1063/1.1580052
Gallo, P. et al. (2016). Water: A tale of two liquids. Chemical Reviews, 116(13), 7463–7500. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00750
Sellberg, J. A. et al. (2014). Ultrafast X-ray probing of water structure. Nature, 510, 381–384. https://doi.org/10.1038/nature13266
Poole, P. H. et al. (1992). Phase behaviour of supercooled water. Nature, 360, 324–328. https://doi.org/10.1038/360324a0
Nilsson, A., & Pettersson, L. G. M. (2015). The structural origin of anomalous properties of liquid water. Nature Communications, 6, 8998. https://doi.org/10.1038/ncomms9998
