Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Není led jako led

Vědci dnes znají 17 morfologicky různých fází ledu. Ten, se kterým se běžně setkáváme, má hexagonální strukturu. Existuje však i led se strukturou kubickou. Proto lze pozorovat sněhové vločky, které mají pouze tříčetnou symetrii. O tom, jaké vlastnosti led bude mít, rozhoduje prostorová grupa symetrie krystalické mřížky. Většina exotických forem ledu vyžaduje při svém vzniku extrémní tlak, proto jsou pouze laboratorní variantou. Výjimka však existuje. V diamantech se poměrně často vyskytují malé prostory vyplněné kubickým ledem vytvořeným za teplot 1200 °C až 1400 °C v hloubkách 500 – 650 km. Tyto vměstky vznikly při extrémních tlacích a při krystalizaci zůstaly v diamantech uzavřeny.

Voda má klíčovou roli na naší planetě. Jsou jí plné oceány a také tvoří více než polovinu našeho těla. Bez vody velmi rychle umíráme žízní. Molekulu vody tvoří, jak známo, jeden atom kyslíku a dva atomy vodíku a stejně jako jiné látky může voda existovat v různých skupenstvích. Tato látka má ovšem mnoho zvláštních vlastností. Příkladem je takzvaná anomálie vody a s ní spojená nižší hustota ledu oproti vodě v kapalném skupenství. Díky tomu ledové kry plavou na hladině a v zimě se v rybníku u dna drží voda 4 °C teplá, protože má největší hustotu. Výzkumy ovšem ukazují, že led má mnoho dalších forem.

Ten obvyklý v kostkách ledu z mrazničky nebo ve sněhových vločkách je ve fázovém diagramu vody označen písmenem Ih. Mikroskopicky jsou molekuly vody v tomto ledu uspořádány hexagonálně a krystalická mřížka má šesterečnou symetrii (pro příznivce teorie grup jde o prostorovou grupu 194 P63/mmc). Atomy kyslíku se nacházejí v rozích šestiúhelníku a jsou pomocí tzv. vodíkových můstků spojeny s dalšími molekulami vody. Každá molekula může vytvořit celkem čtyři vodíkové můstky a může se v prostoru uspořádat šesti různými způsoby. Zatímco kyslíkové ionty jsou pravidelně umístěny, neplatí to o vodíkových iontech. Ty jsou v hexagonálním ledu rozmístěny náhodně, a tak celá molekula vody rotuje kolem svého místa v krystalické mřížce. Tento led je pro nás obvyklý proto, že se tvoří při atmosférickém tlaku a při teplotách pod 0 °C. Jeho tvorbu si můžeme představit tak, že budeme jednotlivé roviny kyslíkových iontů v šestiúhelníkových pozicích vrstvit nad sebe.

Existuje však další způsob vrstvení, kdy je každá další vrstva proti té pod ní posunuta. Taková struktura má kubickou symetrii (prostorová grupa 227 Fd3̅m). Při pokusech o laboratorní přípravu kubického ledu IC dokázali vědci z University College London vytvořit zatím pouze směs 73 % kubického a 27 % hexagonálního ledu. Principiálně však panují v horních vrstvách naší atmosféry takové podmínky, které tvorbu kubického ledu umožňují. A tak se dívejte na sněhové vločky. Najdete-li takovou, která má pouze tříčetnou symetrii, a ne šestičetnou, tvoří ji velmi pravděpodobně kubický led. Taková pozorování jsou doložena.

Fázový diagram znázorňující oblasti teplot a tlaků, při kterých existují jednotlivá skupenství vody, ukazuje mnoho forem pevného skupenství. V současné době fyzici vědí o 17 morfologicky různých krystalických a dvou amorfních fázích ledu. Některé krystalické formy jako led VII mohou vznikat i při teplotách vysoko nad 0 °C, ovšem jen za extrémně vysokých tlaků (300 tisíckrát převyšujících atmosférický tlak). Známe je většinou pouze z laboratoří, kde se vytvářejí v malém množství působením vysokého tlaku v hydraulickém lisu nebo protlačováním.

Fázový diagram vody znázorňuje oblasti tlaků a teplot, při kterých existují jednotlivá skupenství. Křivky popisují stav rovnováhy mezi dvěma fázemi. Černé body: 1. trojný bod – rovnováha tří fází, 2. kritický bod – nad tímto tlakem a teplotou se stírá rozdíl mezi kapalnou a plynnou fází. Obdobně znamenají červené body podmínku existence tří pevných fází. Jednotlivé fáze ledu jsou označeny římskými číslicemi (obrázek: Matematicko-fyzikální fakulta UK)

Struktura se pak zkoumá pomocí rentgenové strukturní analýzy. Jejich vlastnosti jsou velmi rozdílné, jako jsou rozdílné vlastnosti diamantu (kubická struktura podobná ledu IC) a tuhy (šesterečná struktura podobná ledu Ih). Některé fáze mají ve vnitřní struktuře vodíkové ionty pevně uspořádané v krystalické mřížce, některé jako Ih nikoliv. Jednou z makroskopických vlastností velmi závislých na prostorové grupě symetrie ledu je hustota. Led vznikající při vysokých tlacích je mnohem hustší, má jinou tvrdost a jiný bod tání. Vypadá to však, že výzkum ještě není u konce a že se můžeme ještě dočkat důkazu o dalších fázích.

Takovou přirozenou laboratoří, kde by se mohly vyskytovat vysokotlaké fáze ledu, by mohla být některá tělesa sluneční soustavy, třeba Jupiterův měsíc Ganymedes. Vrstva ledu tam dosahuje 600 kilometrů a i přes nízkou gravitaci by měl být tlak v hlubokých vrstvách dostatečný. Možná, že v minulosti byly exotické formy ledu i na Zemi přirozené. A tak experimentátoři hledali, až našli – uvnitř diamantů.

Vědci z University of Nevada v Las Vegas zkoumali rentgenovou analýzou diamanty pocházející z hloubky až 660 kilometrů a podařilo se jim prokázat, že je v těchto hloubkách přítomná voda. V diamantech totiž našli malé vměstky o velikosti tisícin milimetru tvořené ledem VII s kubickou strukturou. Tyto ledové vměstky mohly vzniknout při vysokých tlacích v zemském plášti při teplotách 1 200 °C až 1 400 °C a být uzavřeny uvnitř drahokamů při krystalizaci. Zřejmě to byl dost obvyklý proces, protože ledové vměstky obsahují jak diamanty z Asie, tak z Afriky. Tyto experimenty nejsou jen důležitým důkazem pro oblast termodynamiky, ale i pro geofyziku, která teď může lépe odhadovat, kolik vody obsahuje zemský plášť.

Původní zdroje:

Welt der Physik: Eis ist nicht gleich Eis. Welt der Physik: Startseite [online]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/…-gleich-eis/
Welt der Physik: Einschlüsse von Eis in Diamanten entdeckt. Welt der Physik: Startseite [online]. Copyright © Wissenschaft aktuell [cit. 11.02.2019]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/…en-entdeckt/


Mohlo by vás také zajímat:

Kovové fólie z jediného krystalu slibují kvalitní grafen
Fyzikální TOP 10 roku 2018
Vědci vyvinuli chytrou pěnu, která dokáže rozpoznat vlastní deformace

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop