Voda ve vaší sklenici je vlastně míchaný drink

… a nejen to, míchá se neustále sama a mění svou strukturu, i když si toho na první pohled nemůžete všimnout. Nové, zajímavé experimenty, které nejspíš vysvětlují různé anomálie v chování vody. (délka blogu 5 min.)

Vědci registrují kolem 70 různých odchylek, které odlišují vodu od většiny ostatních kapalin. Poslední dobou se dokonce někteří přiklánějí k názoru, že voda je ve skutečnosti směsí dvou materiálů s různými vlastnostmi. 

Záhadná kapalina

Voda může mít v závislosti na vnějších podmínkách nejrůznější podobu - všichni známe průhlednou kapalinu, čirý led nebo vodní páru. Existuje ale také voda, která je neprůhledná, černá … a navíc vodivá jako kov. S tou se na Zemi běžně nesetkáváme, ve vesmíru se na ni dá ale narazit poměrně často. Existuje například uvnitř plynných obrů, velkých planet, které se nacházejí i ve Sluneční soustavě. 

Na první pohled jednoduchá sloučenina dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku dodnes představuje pro vědce zajímavý rébus. Není například úplně jasné, proč zamrzá teplá voda rychleji než studená. Když na vodu působí vysoké tlaky, stává se tekutější - což odporuje “zdravému selskému rozumu”. Voda umí ukládat více energie než ostatní materiály - k jejímu zahřátí o jeden stupeň je potřeba více tepla než je tomu u ostatních látek. 

Navíc je tu teplotní anomálie u ochlazování vody. S klesající teplotou sice klesá i její objem, ale jen do zhruba 4 °C. Pak naopak objem stoupá. Díky tomu má vodní led o 10 % větší objem než stejné množství vody a na vodní hladině plave. 

Prastará látka

Voda se skládá ze dvou atomů vodíku, tedy chemického prvku, který je ve vesmíru nejpočetnější - a jednoho atomu kyslíku, třetího nejpočetnějšího chemického prvku. 

Vodík je nejjednodušším chemickým prvkem, skládá se pouze z jednoho protonu, kolem kterého obíhá jeden elektron. Vodík byl prvním chemickým prvkem, který ve vesmíru vznikl v době, kdy se vesmír po Velkém třesku ochladil natolik, že se elektrony mohly spojit s protony a vytvořit tak neutrální atomy. Voda se tedy skládá z atomů, které jsou ve vesmíru nejstarší. 

Kyslík je mladší - je produktem hoření prvních hvězd (případně dalších generací hvězd). 

Struktura vody

Molekuly vody mají mezi sebou speciální vztahy. Na svědomí to má poměrně jednoduchá struktura samotné molekuly. 

Ta má tvar jednoduchého písmene “V”. Ve zlomu v dolní části tohoto pomyslného písmene leží atom kyslíku, na koncích obou nožiček písmena se nacházejí atomy vodíku. Kyslík je z principu věci (díky svému počtu protonů a tedy i elektronů) “hladový”. Snaží se k sobě přitáhnout cizí elektrony. To se v rámci molekuly vody děje na úkor atomů vodíku - kyslík si jednoduše jeho elektrony oblíbí a přitáhne si je blíž k sobě. Projevuje se to následně tím, že se z molekuly vody stává polární sloučenina - s oblastmi, které jsou nabity kladně a jinými, které jsou nabity naopak záporně. 

Jedna ze základních sil, působících ve vesmíru, se stará o přitažlivost mezi kladnými a zápornými náboji. Díky ní se pak tvoří výše zmiňované vztahy mezi kladnými a zápornými náboji sousedních molekul vody. Vědci jim říkají vodíkové vazby. Jsou daleko slabší než klasické vazby, které drží pohromadě atomy v molekulách, přesto mají na svědomí leckterou zajímavou a na první pohled nelogickou vlastnost vody. 

Molekuly vody jsou … přelétavé. Přitom mezi nimi existuje skutečná rovnoprávnost. Své vazby s okolními molekulami vytvářejí a znovu ruší během zlomků vteřiny. Podobné aktivity se tedy dají jen velice těžko studovat a sledovat - a to dokonce i v dobře vybavených speciálních laboratořích. Na řadu přichází rentgenová mikroskopie, lasery a podobně komplikované výzkumné přístroje. 

Voda coby míchaný drink

V poslední době se začaly objevovat náznaky dalšího zajímavého jevu. Zdá se, že voda není jednou jedinou látkou s exotickými vlastnostmi, ale směsí dvou různě reagujících látek, které pak způsobují anomálie v chování vody. 

Vědci objevili různé druhy vodního ledu, které se liší svými vlastnostmi a vznikají v různých vnějších podmínkách jakými jsou například tlak a teplota. 

Jedním (respektive dvěma) z nich jsou dva typy amorfního ledu, tedy ledu, který nemá krystalickou strukturu. 

Amorfní led vzniká tehdy, když se voda ochlazuje velkou rychlostí. Typicky jsou to stovky stupňů Celsia během zlomků vteřin. Molekuly vody pak nemají čas vytvářet krystalickou mřížku a nacházejí se v chaotickém stavu. Existují dva různé druhy amorfního ledu, které se odborně nazývají anglickými zkratkami HDA (High Density Amorphous) a LDA (Low Density Amorphous). Jak už název napovídá, HDA má o 25% vyšší hustotu. 

Podobně jako v případu ledu se zdá, že i tekutá voda existuje ve dvou stavech, které se vzájemně liší. Oba stavy dostaly také podobná jména - HDL a LDL (High Density Liquid a Low Density Liquid). 

Problém spočívá v tom, že se dají v běžné vodě pozorovat jen skutečně těžko, protože se neustále prolínají, vznikají a zase zanikají. 

A tak přímé důkazy, že je naše každodenní sklenice vody vlastně komplikovaným drinkem, stále chybí. Nepřímým důkazem může být experiment z roku 2017. Vědci studovali HDA led pomocí rentgenové mikroskopie. Ohřívali vzorek z -150 °C na -140 °C. Přitom vzniklo malé množství tekutiny LDL, která následně zamrzla ve formě amorfního LDA ledu. Rentgenová mikroskopie je tak citlivá, že všechny tyto změny dokázala zachytit. 

Vědci dnes předpokládají, že se naše běžná voda nachází převážně ve formě HDL tekutiny. V mikroskopickém měřítku to ale může být jinak. Několik desítek molekul se může tu a tam na velmi krátkou dobu spojit a vytvořit LDL formu - tedy formu s nižší hustotou. 

Využití 

Jsou to právě tyto exotické vlastnosti, které by mohly vysvětlit, jakým způsobem dochází ve vesmíru k syntéze složitých organických molekul - a díky tomu také objasnit, jestli vznikly sloučeniny, ze kterých se později vyvinul život, na Zemi nebo už při svém pobytu ve vesmírných podmínkách. 

V budoucnosti bude vybudováno nedaleko Hamburku výzkumné středisko, které se má věnovat zkoumání exotických vlastností vody, můžeme se tedy těšit na další zajímavé podrobnosti. 

Zdroje: Bild der Wissenschaft 1, 2023, https://www.science.org/doi/10.1126/science.aao7049