Nová třída kapalin poutá pozornost vědců svou schopností existovat v různých formách. Co kdyby čirá látka, jakou je například voda, oplývala touto zvláštností? Existovaly by dvě vody oddělené fázovým přechodem, stejným, jaký známe mezi vodou a párou, končící v dalším kritickém bodě, tedy místě, kde se obě kapaliny stávají jednou. Tento jev boří zažitý stereotyp a podněcuje nejen experimentální, ale i teoretický výzkum. Hélium, uhlík, křemík, fosfor, síra, telur, cer, vodík a tetrajodid cínu; pro všechny tyto látky byla objevena nebo předpovězena existence dvou různých kapalin, obvykle za extrémních podmínek. To vše je ale jen začátek pro bádání v dalším aktuálním vědeckém oboru: dvě různé formy kapaliny mohou teoreticky vést ke dvěma různým formám amorfního ledu (struktury ztuhlé do formy podobné tekutině, s neuspořádanými molekulami postrádajícími krystalický řád). Tím se základní výzkum dostává do hledáčku průmyslu s velkým hospodářským dopadem. To platilo vždy pro sklo i další amorfní materiály a pro materiály jako křemík toto tvrzení ani v dnešní době na platnosti nic neztratilo. Cílem našeho aktuálního výzkumu je lépe těmto kapalinám porozumět a přesněji je popsat.
Náš výzkumný pracovník Ing. Michal Duška, Ph.D. se za svého působení na Institute for Physical Science and Technology na University of Maryland podílel na průkopnickém teoretickém výzkumu, který „znamená posun paradigmatu, výrazně rozšiřující vnímání polyamorfismu tekutin z původního specializovaného tématu na téma mezioborové, které zahrnuje širokou třídu systémů a jevů s přeměnou molekulárních nebo supermolekulárních struktur“. Výsledky výzkumu byly před dvěma lety publikovány v prestižním časopise PHYSICAL REVIEW X. Při studiu statistických modelů tekutin byla objevena „pozoruhodná zvláštnost kapalného polyamorfismu, která dosud nebyla v literatuře zmíněna – singularita (tzv. „ptačí zobák“) na křivce fázového rozhraní kapalina-kapalina v místě, kde se kritický bod dotýká spinodály pára-kapalina“ (obr. 1). Spinodála je teoretický koncept: na rozdíl od fázového přechodu, v němž fáze koexistují trvale, představuje spinodála hranici existence jedné fáze vzhledem k druhé. K ní je možné první fázi přiblížit, uvedeme-li ji do nerovnovážného stavu, tam se však nevyhnutelně stane druhou fází.
Obr. 1. Sledujte červenou křivku přechodu kapalina-kapalina a naleznete „ptačí zobák“ tam, kde se druhý kritický bod (CP 2) dotýká spinodály pára-kapalina (VLS).
Dr. Duška dále rozvinul koncept polyamorfismu tekutin pro reálnou kapalinu – vodu. Navrhl unikátní stavovou rovnici kombinující termodynamický popis kapaliny nad spinodálou na základě známé Speedyho expanze a fázový přechod kapalina-kapalina oddělující dvě formy vody končící ve druhém kritickém bodě. „Navržená stavová rovnice umožňuje poprvé nezávisle předpovědět polohu spinodály za přítomnosti kritického bodu kapalina-kapalina.“ „Spolu s nedávným objevem maxima stlačitelnosti za mezí homogenní nukleace v pozitivním tlaku naše závěry argumentují pro vyloučení všech dosud známých hypotéz vysvětlujících anomálie vody s výjimkou existence kritického bodu kapalina-kapalina v pozitivním tlaku“. Výsledky byly vybrány jako hlavní téma („Featured“) v časopise Journal of Chemical Physics, kde byly publikovány všechny nedávné objevy v této oblasti. Kromě toho byl článek vyzdvihnut v časopise Scilight, který shrnuje to nejzajímavější ze všech publikací vydávaných společností American Institute of Physics. „Rozšíření této rovnice na oblast amorfního ledu bude předmětem budoucího úsilí doktora Dušky. Taková rovnice pak bude úplnou stavovou rovnici polyamorfní vody“.
Obr. 2. Hustota a fázový diagram polyamorfní vody
Více o výzkumu Michala Dušky si můžete poslechnout v podcastu Věda na dosah.
Kontakt: Ing. Michal Duška, Ph.D., Ústav termomechaniky AV ČR