Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Skupina výzkumníků z Fyzikálního ústavu AV ČR se spolu s mezinárodním kolektivem autorů podílela na zkoumání dynamiky molekul vody v krystalech berylu. Jak informuje jejich nedávný článek v časopisu Nature Communications, podařilo se jim poprvé prokázat, že tyto lokalizované molekuly vody při nízkých teplotách vykazují tendenci k vzájemnému uspořádání orientace jednotlivých molekul, tzv. incipientní (počínající) feroelektrický stav.

Je známo, že molekuly vody mají vysoký dipólový moment. Jsou-li zachyceny v krystalové mřížce berylu, nacházejí se na pravidelně uspořádaných místech, kde se mohou pootáčet. Směry jejich natočení jsou určeny krystalovou mříží, která patří k šesterečné krystalové soustavě; molekuly mají proto šest možných ekvivalentních poloh. Díky svému elektrickému dipólovému momentu mohou molekuly navzájem interagovat a dynamicky ovlivňovat svoji orientaci. V kapalné vodě či v ledu takovéto korelace nelze pozorovat, protože zmíněné dipól-dipólové interakce jsou potlačeny krátkodosahovými vazbami tzv. vodíkových můstků. Beryl představuje výhodné hostitelské prostředí, neboť vynucuje přiměřené odstupy mezi molekulami vody (řádově 1 nm), takže vodíkové můstky se nemohou vytvořit. Také je možno připravit bezvodé krystaly berylu, což umožňuje jednoznačně identifikovat příspěvek molekul vody samotných.

OBRÁZEK: Molekuly vody jsou v krystalech berylu zachyceny v pravidelných odstupech a mohou se pootáčet okolo šestičetné osy symetrie krystalu. Jejich dipólové momenty, kolmé k šestičetné ose, navzájem interagují a při snižování teploty vykazují tendenci k vzájemnému uspořádání.

Dynamické chování krystalů berylu bylo ve FZÚ zkoumáno pomocí několika technik širokopásmové dielektrické spektroskopie. Bylo tak prokázáno, že kolektivní vibrace molekul krystalové vody vykazují tzv. měkký mód — vibrační rezonanci, jejíž frekvence se snižuje při ochlazování. V mnoha známých krystalech měkké módy vyvolávají fázový přechod do uspořádaného (feroelektrického) stavu, jenž existuje pod určitou, tzv. Curieovou teplotou. Parametry měkkého módu vody v berylu lze popsat pomocí známých rovnic, z nichž vyplývá, že Curieova teplota vody v berylu leží pod absolutní nulou. V tomto krystalu tedy kromě dipól-dipólové interakce existují ještě další meziatomové síly, jejichž vlivem uspořádaného stavu nelze dosáhnout. Publikovaný objev však otevírá možnost, že by jiný druh hostitelského krystalu feroelektrické uspořádání umožnil.

Vzhledem k významu vody, jež se v živé i neživé přírodě vyskytuje i v různých formách s omezenou pohyblivostí, je možno se domnívat, že uspořádání elektrických dipólových momentů vodních molekul by v určitých systémech mohlo hrát významnou roli.