Pavel Jungwirth o přelomové přípravě kovové vody: Využití to teď nemá, ale třeba to zpopularizuje vědu

30. červenec 2021
Podcasty, rozhovory, příběhy Další podcasty, rozhovory a příběhy Pavel Jungwirth

Jako první na světě dokázali vědci z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd připravit takzvanou kovovou vodu. O jejich objevu informuje nové vydání prestižního vědeckého časopisu Nature. Doposud panovalo přesvědčení, že vodu, která by byla vodivá, nelze vyrobit v pozemských podmínkách, protože alkalické kovy ve vodě explodují. Mezinárodnímu týmu pod českým vedením se ale povedlo tento problém vyřešit.

Je to jeden z nejefektnějších, ale také nejbanálnějších chemických experimentů, kterými se ohromují návštěvníci science center, středoškoláci anebo uživatelé youtube. Stačí hodit kousek sodíku do vody a během chvilky dojde k výbuchu.

Čtěte také

„Ve vodě to nedrží, protože elektrony alkalických kovů mají tu smůlu, že jsou strašně reaktivní,“ přibližuje profesor Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd (ÚOCHB) základní problém přípravy kovové vody. Tedy vody, která vede elektrický proud.

Jeho mezinárodní tým to ale jako první na světě dokázal. „Trik byl ve zkrocení toho výbušného charakteru, alespoň na chviličku tam ty elektrony udržet, abychom to mohli vidět a naměřit.“

Obrovský tlak jako v jádru Jupitera

Představy, že by bylo možné vytvořit z vody kov, nejsou nové. Je k tomu ale zapotřebí obrovský tlak, který by stlačil molekuly vody k sobě tak, že se začnou překrývat jejich elektronové obaly a vytvoří takzvaný vodivostní pás jako v kovových materiálech.

V pozemských podmínkách to ale není možné, a tak vědci předpokládali, že kovová voda může vzniknout jen mimo Zemi, v jádrech velkých planet.

„Odhaduje se třeba, že v jádře Jupitera by to šlo, protože ten potřebný tlak je asi 50 milionů barů. Jenže maximální tlak vyvinutý na Zemi je desetkrát menší,“ nastiňuje Jungwith.

Patnáctičlenný mezinárodní tým vědců z ÚOCHB, Univerzity Jižní Kalifornie a berlínského Institutu Fritze Habera proto hledal variantu, jak bezpečně dostat kovové elektrony do vody. Nejprve ale musel zjistit, proč vlastně alkalický kov ve vodě exploduje. A jak ukázalo podrobné bádání, důvodem není vysoká reaktivita samotných elektronů.

„Ten alkalický kov je původně neutrální, takže když elektrony, které nesou záporný náboj, z něj vystoupí, tak se nabije kladně. A kladné náboje se samy od sebe odpuzují a to ten kov roztrhá. On se roztrhá, promíchá se s tou vodou a pak reakce končí explozí,“ vysvětluje fyzikální chemik.

Čtěte také

A proto se s kolegy rozhodli jít opačným směrem, tedy neházet kov do vody, ale nechat zkapalnit neboli zkondenzovat vodní páru přímo na kovovém kousku. Díky předchozím zkušenostem věřili, že nutná chemická reakce se rozběhne, ale nevybouchne to.

„Vyšli jsme z analogie s kapalným amoniakem, kdy už víme, že tam alkalické kovy dobře fungují a elektrony v amoniaku nereagují. Koneckonců na tohle téma jsme loni psali článek pro odborný časopis Science, takže na amoniaku jsme si to velice dobře osahali,“ odkazuje na hlavní, souběžný výzkum profesor Jungwirth.

Bylo ale potřeba nejdříve teoreticky propočítat podmínky, za kterých se dá připravovat kovová voda tak, aby to bylo bezpečné. A paradoxně k tomu nejvíce pomohly počáteční praktické pokusy se sodíkem plné výbuchů.

Čtěte také

„Před deseti jsme ještě neměli žádnou laborku, ale měli jsme balkón a tam jsme si hráli s těmi výbuchy. To nám velice pomohlo, protože jsme si uvědomili, jaké jsou základní parametry, aby se člověk při tom nezabil,“ vzpomíná s úsměvem, že základem je použití alkalického kovu jen v minimálním množství.

„Zároveň jsme zjistili, že nejlépe se pracuje se slitinou sodíku a draslíku, která je za pokojové teploty kapalná. Víceméně na koleně jsme si k tomu sestrojili velice dobrou vakuovou aparaturu, abychom to mohli dělat v přísném vakuu, kde to nemá s čím reagovat a je to bezpečné a především chemicky stabilní.“

Uvnitř vakuové komory vystavili vědci kapku slitiny sodíku a draslíku malému množství vodní páry, která okamžitě začíná kondenzovat na jejím povrchu. Tímto postupem se elektrony uvolňované z alkalického kovu rozpouštějí do vrstvičky vody na jejím povrchu rychleji, než probíhá chemická reakce vedoucí k explozi.

Jejich množství je přitom dostatečné k překonání kritické hranice pro vytvoření vodivostního pásu, a tedy vytvoření kovového vodného roztoku.

„Hráli jsme si s tlakem vody“

A pak už to byly hodiny experimentů, během kterých výzkumníci vystavovali kapičku slitiny malému množství vodní páry a nakonec se dočkali. Zářivě zlaté tenounké kapalné vrstvičky, vody, která vede elektrický proud.

Čtěte také

„Velice jemně jsme si hráli s tlakem vodní páry, který jsme ve vakuuové aparatuře měli. A skutečně jsme našli ten správný režim. Při tlaku 10 na mínus čtvrtou milibaru tam na pár vteřin zkondenzuje dostatečné množství vody a vznikne tenounká vrstvička o tloušťce zhruba sto nanometru, která vydrží čtyři pět vteřin. Vidíme, jak krásně to zezlátne. Je to dostatečné na to, abychom to dokázali změřit spektroskopickými metodami. Víme, jak vypadají otisky kovového chování, a ty jsme tam našli. Pak to zreaguje a je to pryč,“ přibližuje prchavý okamžik světového objevu Pavel Jungwirth.

Kovový vodní roztok vedle kovových elektronů obsahoval i rozpuštěné alkalické kationty a chemicky vytvořený hydroxid sodný a vodík.

Ono to sice k ničemu není, ale každý tomu rozumí, každý to na tom gymplu dělal. Je to hlavně k popularizaci vědy.
Pavel Jungwirth

Klíčový důkaz přítomnosti kovové vody přineslo měření rentgenové fotoelektronové spektroskopie na synchrotronu v Berlíně. Ten je tak vytížený, že se patnáctka vědců střídala, aby experiment mohl běžet nonstop. Tento objev je pro ně totiž především rozptýlením pro radost z poznání, protože, jak s úsměvem připouští i profesor Pavel Jungwirth, praktické využití kovová voda v současné době nemá.

Čtěte také

„Ono to sice k ničemu není, ale každý tomu rozumí, každý to na tom gymplu dělal. Je to hlavně k popularizaci vědy, nadchnout gympláky, aby šli studovat chemii,“ věří, že právě takové objevy mohou přitáhnout pozornost.

„Ale bych byl blázen, abych tvrdil, že praktické využité stonanometrové vrstvičky, která žije tři vteřiny, bude někdy k něčemu dobrý.“

Ve světě vědy je ale možné všechno, zvláště za pár let.

Poslechněte si reportáž Evy Kézrové.

autor: Eva Kézrová
Spustit audio