Zdanlivo jednoduchá látka ľadu bola predmetom prelomovej štúdie v Národnom laboratóriu v Argonne, ktorá odhalila zložitosť jeho správania pri extrémne nízkych teplotách.

Základom tejto štúdie je predtavenie, ktoré sa tradične pozoruje blízko bodu mrazu vody. Predtavenie sa vzťahuje na tenkú vrstvu podobnú kvapaline na povrchu ľadu, koncept prvýkrát identifikovaný v polovici 19. storočia. Tím v Argonne však objavil tento jav, ktorý sa vyskytuje pri teplotách oveľa nižších ako je bod mrazu, konkrétne pod -200 stupňov Fahrenheita. Toto zistenie spochybňuje tradičné chápanie správania ľadu a vedie k prehodnoteniu vlastností vody v pevnom stave.

Pokročilé zobrazovacie techniky odhaľujú nové javy

Výskum tímu zahŕňal rast ľadových kryštálov na veľkosť nanometrov, približne desať miliónov metrov v priemere. Na pozorovanie týchto kryštálov potom použili najmodernejšiu formu transmisnej elektrónovej mikroskopie (TEM). Táto nízka dávka TEM s vysokým rozlíšením bola rozhodujúca, pretože umožnila výskumníkom študovať ľad bez toho, aby spôsobili poškodenie. Táto technika zahŕňa nasmerovanie prúdu elektrónov na objekt a vytvorenie obrazu na základe toho, ako sa tieto elektróny rozptyľujú. Táto metóda je obzvlášť výhodná pre štúdium materiálov citlivých na elektrónové lúče, ako je ľad.

Jianguo Wen, vedec v oblasti materiálov v Argonne a hlavný autor článku, vysvetlil výzvy a potenciál tohto prístupu: „Ľad je veľmi náročný na zobrazenie, pretože je taký nestabilný pod vysokoenergetickým elektrónovým lúčom. Ak túto techniku úspešne predvedieme na ľade bude zobrazovanie iných materiálov citlivých na lúče hračkou.“

Pozorovania nad rámec bežného chápania

Výskumníci uskutočnili svoje experimenty pri extrémne nízkych teplotách, pričom použili kvapalný dusík na ochladenie prostredia na 130 stupňov Kelvina (alebo -226 stupňov Fahrenheita). Pri týchto teplotách pozorovali nanokryštály ľadu, ktoré sa správali spôsobom, ktorý nie je zohľadnený v tradičnom diagrame vodnej fázy. Pozorovanie pri 150 stupňoch Kelvina (-190 stupňov Fahrenheita) bolo obzvlášť pozoruhodné, kde ľad preukázal kvázi kvapalnú vrstvu, ktorá popiera štandardný fázový prechod z tuhej látky na paru.

Tao Zhou, ďalší argonský materiálový vedec zapojený do štúdie, zdôraznil zložitosť svojich zistení: „Ukázali sme, že k predtaveniu môže dôjsť ďaleko dole na krivke, hoci nevieme vysvetliť prečo.“ Toto pozorovanie otvára nové otázky o správaní vody v extrémnych podmienkach a spochybňuje jednoduchosť konvenčného fázového diagramu.

Dôsledky a budúce smerovanie

Tento výskum vrhá svetlo na zložité vlastnosti ľadu a demonštruje účinnosť nízkych dávok TEM pri štúdiu citlivých materiálov. Úspešná aplikácia tejto techniky na ľadové kryštály pripravuje pôdu pre jej použitie pri skúmaní iných jemných látok, čo môže viesť k významnému pokroku v rôznych oblastiach vrátane materiálovej vedy a nanotechnológie.

Štúdia vyvoláva zaujímavé otázky o povahe vody a jej prechodoch medzi rôznymi stavmi, najmä v extrémnych podmienkach. Budúci výskum by mohol tieto javy ďalej preskúmať, potenciálne odhaliť nové aspekty materiálneho správania a prispieť k nášmu pochopeniu základných fyzikálnych procesov.

Záver

Táto prelomová štúdia posúva naše znalosti o ľade a vode a pripravuje pôdu pre ďalší prieskum ďalších citlivých materiálov. Úspešná aplikácia nízkodávkového TEM na ľad otvára nové možnosti v oblasti materiálovej vedy, čo môže viesť k pokroku v oblastiach, ako je technológia batérií a mimo nej. Cesta za dekódovaním tajomstiev ľadu pokračuje a sľubuje vzrušujúce objavy v spletitom svete molekulárnej vedy.

Zdroj: www.nano-magazine.com