Vedci sa konečne dostávajú bližšie k tomu, ako sa v kvapalinách začína tvorba ľadu a iných kryštálov. Problém, ktorý fyzici skúmajú už asi 150 rokov, sa ukázal ako oveľa zložitejší, než naznačujú tradičné teórie: odhady rýchlosti zamŕzania sa pri porovnaní s experimentmi môžu mýliť aj o 20 až 25 rádov. Nové merania pomocou zariadenia European X-ray Free Electron Laser Facility (XFEL) však zachytili prvé mikrosekundy tohto procesu a naznačujú, že pri zamŕzaní hrá väčšiu úlohu neusporiadanosť, než sa doteraz predpokladalo.
How ice forms is a mystery — now scientists are cracking the case.
Na prvý pohľad ide o jednoduchú premenu kvapaliny na pevnú látku. V skutočnosti je však mimoriadne ťažké opísať, kedy a ako sa v podchladenej kvapaline objaví prvé stabilné kryštalické jadro. Práve od tohto okamihu závisí, či sa látka začne meniť na kryštál, alebo sa drobný zárodok okamžite rozpadne späť do kvapalného stavu.
Výskumníci upozorňujú, že nejde o akademickú drobnosť. Lepšie pochopenie zamŕzania by pomohlo spresniť predstavy o tom, ako vzniká ľad v oblakoch vysoko v atmosfére. To je dôležité aj pre klimatické modely, ktoré odhadujú tempo otepľovania planéty. Presnejšie teórie by zároveň mohli pomôcť geofyzikom pri otázkach, ako vznikalo pevné vnútorné jadro Zeme a čo sa deje vo vnútri iných planét.
Doterajšie teoretické jadro tohto problému vyrastá z práce Josiaha Willarda Gibbsa a neskoršej classical nucleation theory, teda klasickej teórie nukleácie. Tá opisuje zamŕzanie ako súťaž dvoch vplyvov. Na jednej strane je pre molekuly energeticky výhodné usporiadať sa do kryštálu. Na druhej strane vznik nového rozhrania medzi kryštálom a kvapalinou stojí energiu. Veľmi malé kryštálové zhluky sú preto nestabilné. Až keď dosiahnu kritickú veľkosť, začne byť ich ďalší rast výhodný.
Práve tu sa objavuje zásadný problém. Výpočty rýchlosti nukleácie sú extrémne citlivé na vstupné predpoklady, napríklad na povrchové napätie na rozhraní medzi zárodkom kryštálu a okolitou kvapalinou alebo na viskozitu. Aj nepatrné rozdiely v podmienkach či modelovaní potom vedú k obrovským rozdielom vo výsledku. Pri čistej vode môže byť rozdiel dramatický: malá kvapka pri teplote okolo −20 °C podľa fyzika Roberta Grisentiho nezamrzne ani za miliardy rokov, no po ďalšom ochladení približne o 15 stupňov môže zamrznúť za zlomok sekundy.
Takáto citlivosť komplikuje teóriu aj experiment. Jonas Sellberg z KTH Royal Institute of Technology a jeho kolegovia porovnali merania rýchlosti nukleácie vo vodných mikrokvapkách, nanokvapkách aj v tenkých vrstvách vody na povrchoch. Keď spojili výsledky mnohých štúdií z posledných troch až štyroch desaťročí, zistili obrovský rozptyl hodnôt — opäť viac ako 20 až 25 rádov. V niektorých pokusoch sa navyše výsledky líšili až o šesť rádov aj vtedy, keď sa vedci snažili napodobniť podobné podmienky. Podľa Sellberga nejde o náhodné chyby, ale o dôsledok toho, ako veľmi výsledok ovplyvní samotná príprava vzorky.
Aby sa výskumníci priblížili spoľahlivejšiemu obrazu, zamerali sa na jednoduchšie kvapaliny než voda. Tá je náročná aj preto, že jej molekuly vytvárajú vodíkové väzby a záleží nielen na vzdialenosti, ale aj na orientácii. Oveľa jednoduchším modelom je takzvaná Lennard-Jonesova kvapalina, v ktorej sa častice na väčšie vzdialenosti priťahujú a pri príliš malom priblížení odpudzujú. V prírode sa podobné správanie objavuje pri skvapalnených vzácnych plynoch, ako sú kryptón a argón.
Práve tieto látky skúmal tím Roberta Grisentiho pomocou XFEL. Výskumníci vytvorili rýchle prúdy kvapalného kryptónu a argónu, ktoré nechali prechádzať vákuom. Kvapalina sa pritom rýchlo ochladzovala v dôsledku odparovania. Na prúdy následne vysielali pulzy röntgenového žiarenia a z difrakčných obrazcov sledovali, ako sa mení atómové usporiadanie. Merania ukázali, že počas niekoľkých mikrosekúnd a na dráhe dlhej len niekoľko stoviek mikrometrov sa kvapalný stav mení na stav, v ktorom sa už objavujú znaky kryštalickej štruktúry.
Keď vedci spojili experiment s teóriou a simuláciami, predpovedaná rýchlosť nukleácie bola stále 100- až 1 000-násobne vyššia než nameraná hodnota. Aj tak ide o výrazné zlepšenie oproti starším pokusom: zhoda je podľa článku asi stokrát lepšia než predtým. Podľa Grisentiho za tým stoja dva dôvody. Lennard-Jonesove kvapaliny sú dostatočne jednoduché na to, aby rôzne teoretické prístupy dávali podobnejšie výsledky, a nové merania sú pravdepodobne presnejšie než staršie experimenty.
V praktickej rovine to znamená, že vedci sa možno konečne približujú k spoľahlivejšiemu opisu úplne prvého kroku zamŕzania. Ak sa podarí lepšie zachytiť okamih vzniku stabilného zárodku kryštálu, bude možné presnejšie modelovať procesy, ktoré ovplyvňujú oblaky, klímu aj správanie materiálov v extrémnych podmienkach.
Prečo je zamŕzanie také ťažké opísať
Bežná skúsenosť zvádza k predstave, že kvapalina po poklese pod bod mrazu jednoducho stuhne.
Snímka zobrazuje: Most ice crystals have a hexagonal symmetry, which can be seen using a light microscope. Credit: Frank Fox/Science Photo Library.
Pri čistej kvapaline to však takto priamo nefunguje. Kľúčový je vznik prvého stabilného kryštálového jadra, ktoré musí prekonať energetickú „prekážku“. Pokým je zhluk príliš malý, rozpadne sa. Až po dosiahnutí kritickej veľkosti má šancu rásť ďalej.
Práve tento okamih je ťažké experimentálne zachytiť aj teoreticky vypočítať. Systém reaguje veľmi citlivo na podmienky a malé odchýlky môžu viesť k dramaticky odlišným výsledkom. To je aj dôvod, prečo sa vedci desaťročia nevedeli zhodnúť, ako rýchlo nukleácia v skutočnosti prebieha.
Heterogénna a homogénna nukleácia
Zdroj zároveň pripomína, že v prírode sa zamŕzanie zvyčajne nezačína v dokonale čistej kvapaline.
Snímka zobrazuje: Cirrus clouds are made of ice crystals and have a warming effect on the climate. Credit: Nick Greaves/Alamy.
V pohári vody sa kryštály často tvoria na stene nádoby alebo na nečistotách vo vode. Tento proces sa označuje ako heterogénna nukleácia a prebieha ľahšie než homogénna nukleácia, ktorá nastáva v čistej kvapaline bez takýchto „pomocných bodov“.
Vo väčšine oblakov voda mrzne na prachových časticiach a iných prímesiach. Vo vysokých vrstvách atmosféry však môže byť vzduch veľmi studený a pomerne čistý, takže homogénna nukleácia tam zohráva väčšiu úlohu. Práve preto je tento zdanlivo abstraktný problém dôležitý aj pre atmosférickú fyziku a klimatické modelovanie.
Čo umožnil European XFEL
European XFEL patrí medzi najvýkonnejšie röntgenové lasery na svete.
Snímka zobrazuje: An X-ray diffraction image of freezing krypton. Credit: Adapted from J. Möller et al. Phys. Rev. Lett. 132 , 206102 (2024).
Zariadenie dokáže vytvárať veľmi krátke a intenzívne pulzy, ktoré umožňujú sledovať mimoriadne rýchle deje. V minulosti sa využívalo napríklad na záznam chemických reakcií alebo mapovanie atómových štruktúr vírusov.
V prípade zamŕzania je jeho prínos v tom, že dokáže „pozrieť sa“ na prvé mikrosekundy procesu. To je časová škála, na ktorej sa rozhoduje, či sa v kvapaline začne formovať trvalá kryštalická štruktúra. Pri takto rýchlych dejoch sú bežné experimentálne metódy často nedostatočné.
Prečo vedci začali pri kryptóne a argóne
Voda je pre teóriu aj simulácie mimoriadne náročná látka. Jej molekuly sa viažu cez vodíkové väzby a výsledok závisí od ich vzájomnej orientácie. Ak chcú výskumníci overiť základné princípy nukleácie, je rozumné začať pri jednoduchšom systéme.
Kryptón a argón sa v tomto smere správajú oveľa prehľadnejšie. Preto slúžia ako modelové kvapaliny, na ktorých možno testovať, kde sa teória rozchádza s meraniami a kde sa naopak začína približovať realite. Takýto postup je vo fyzike bežný: najprv sa skúma jednoduchší prípad a až potom sa poznatky prenášajú na zložitejšie látky, ako je voda.
Čo zostáva otvorené
Aj nové výsledky ukazujú, že problém ešte nie je vyriešený. Rozdiel medzi predpoveďou a experimentom sa síce zmenšil, no úplná zhoda stále chýba. To naznačuje, že súčasné modely ešte nezachytávajú všetko podstatné, čo sa deje v úplne prvých momentoch kryštalizácie.
Podľa článku sa navyše ukazuje, že väčšiu úlohu, než sa predpokladalo, môže mať neusporiadanosť. Práve to môže byť jeden z dôvodov, prečo sú tradičné idealizované predstavy o vzniku kryštálu príliš jednoduché. Najbližším krokom preto bude ďalšie spresňovanie experimentov, simulácií aj teórie tak, aby sa vedci lepšie priblížili reálnemu správaniu kvapalín pri zamŕzaní.
Na poskytovanie tých najlepších skúseností používame technológie, ako sú súbory cookie na ukladanie a/alebo prístup k informáciám o zariadení. Súhlas s týmito technológiami nám umožní spracovávať údaje, ako je správanie pri prehliadaní alebo jedinečné ID na tejto stránke. Nesúhlas alebo odvolanie súhlasu môže nepriaznivo ovplyvniť určité vlastnosti a funkcie.
Funkčné
Vždy aktívny
Technické uloženie alebo prístup sú nevyhnutne potrebné na legitímny účel umožnenia použitia konkrétnej služby, ktorú si účastník alebo používateľ výslovne vyžiadal, alebo na jediný účel vykonania prenosu komunikácie cez elektronickú komunikačnú sieť.
Predvoľby
Technické uloženie alebo prístup je potrebný na legitímny účel ukladania preferencií, ktoré si účastník alebo používateľ nepožaduje.
Štatistiky
Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na štatistické účely.Technické úložisko alebo prístup, ktorý sa používa výlučne na anonymné štatistické účely. Bez predvolania, dobrovoľného plnenia zo strany vášho poskytovateľa internetových služieb alebo dodatočných záznamov od tretej strany, informácie uložené alebo získané len na tento účel sa zvyčajne nedajú použiť na vašu identifikáciu.
Marketing
Technické úložisko alebo prístup sú potrebné na vytvorenie používateľských profilov na odosielanie reklamy alebo sledovanie používateľa na webovej stránke alebo na viacerých webových stránkach na podobné marketingové účely.
