Krystal, který rozhoduje o dešti

Proč umí jodid stříbrný někdy vyvolat déšť a jindy selhává? Vědci odhalili mechanismus, kterým se dají vyvolat srážky. (délka blogu 3 min.)

K umělému vyvolávání srážek se už víc než půl století používá jodid stříbrný (AgI). Drobná zrníčka této látky se rozptylují do mraků, aby se zvýšila pravděpodobnost, že z nich začne pršet. I když se AgI používá desítky let, dlouho se přesně nevědělo, proč je právě tento materiál tak účinný.

^{Ilustrace: Zdroj: D. Tenzler}

Nová studie přináší překvapivou odpověď. Rozhodující není podobnost mezi krystalickou mřížkou AgI a ledem, jak se dříve myslelo, ale to, jak se atomy na jeho povrchu samy přeskupují poté, co bylo zrníčko materiálu rozlomeno na menší části. Jinými slovy – o tom, jestli mrak začne vytvářet déšť, kroupy a sníh, rozhoduje pár atomů v povrchové části jodidu.

Povrch krystalu

Dlouho se věřilo, že AgI působí jako dokonalý impuls pro tvorbu ledu v mracích. Jeho krystalická mřížka je totiž velmi podobná hexagonálnímu uspořádání molekul v ledu, takže se předpokládalo, že molekuly vody k němu jednoduše přisednou a při příslušné teplotě se začne vytvářet ledový krystal.

Jenže celá věc má jeden háček. Ne všechny částice AgI se totiž v praxi chovají stejně. Některé vyvolávají krystalizaci ledu snadno, jiné vůbec. Pokud by rozhodovala pouze krystalická struktura jodidu, měly by být všechny stejně účinné.

Ukazuje se, že odpovědí na hádanku je tzv. povrchová rekonstrukce, tedy jemné přeuspořádání atomů na povrchu krystalu, které nastává po jeho rozlomení. Povrch totiž není jen rozhraním mezi vzduchem a pevnou látkou, ale doslova pohyblivou vrstvou, která se sama přizpůsobuje okolí, aby snížila svou svou energii.

Dvě tváře jodidu stříbrného

Pomocí atomové silové mikroskopie a kvantově-mechanických simulací vědci zkoumali, jak přesně vypadá povrch jodidu stříbrného.

Zjistili, že existují dvě základní varianty povrchu – podle toho, jestli je zakončený vrstvou atomů stříbra, nebo jodu.

Povrch, který je zakončený atomy stříbra, si i po rekonstrukci zachovává šestiúhelníkovou symetrii, která dobře ladí s uspořádáním molekul ledu.

Oproti tomu se povrch, ukončený atomy jodu, naopak přeuspořádá do obdélníkového vzoru, a není tedy kompatibilní s krystaly ledu.
Pouze povrch s atomy stříbra je proto skutečně účinný při spouštění krystalizace ledu. Molekuly vody na něm dokážou vytvořit stabilní první vrstvičku, která pak dále roste. V praxi to znamená, že i když dva krystaly AgI vypadají chemicky stejně, jen ten, který má vhodný povrch, skutečně přiměje mrak k mrznutí vody.

Metoda výzkumu

Zkoumat povrch krystalu na úrovni jednotlivých atomů není zrovna jednoduché. Tyto vrstvy jsou často jen několik atomů silné a snadno reagují s okolím. Proto musel tým pracovat v ultra-vysokém vakuu a při velmi nízkých teplotách (kolem 100 K), aby zachytil skutečné uspořádání bez jakékoli kontaminace.

V laboratoři pak povrchy nasnímali atom po atomu pomocí mikroskopu a výsledky porovnávali s výpočty. Tím dokázali nejen zobrazit, ale i teoreticky vysvětlit, proč některé povrchy AgI podporují vznik ledu a jiné ne.

^{Zdroj: Odkaz}