Vidět a nerozbít

Interakce povrchů látek s vodou je v průmyslu všudypřítomná, a odborníci proto řeší, jaké jsou první kroky při rozpouštění, nebo naopak krystalizaci různých solí (jak a kde odloupnou molekuly vody první iont). „Mohli bychom sem zařadit vlastně vše – od usazení vodního kamene až po cholesterol a žlučníkové kameny. Metoda, kterou jsme vyvinuli, sice k rozpuštění žlučníkových kamenů nepovede, může se ale stát, že ji vědci v budoucnu využijí, aby zjistili o přírodě něco, co by k tomu vést mohlo,“ vysvětluje Prokop Hapala z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Právě v oblasti zobrazování molekul vody dosáhli vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity Palackého v Olomouci ve spolupráci s kolegy z Čínské akademie věd a Pekingské univerzity významného pokroku. Vyvinuli totiž metodu, jejímž prostřednictvím dosahují submolekulárního rozlišení slabě vázaných klastrů vody na površích pevných látek.

Práce, kterou zveřejnil časopis Nature Communications, posouvá současné možnosti, jak zobrazovat slabě vázané nanostruktury pomocí tzv. mikroskopie atomárních sil (AFM – Atomic Force Microscopy). Právě s jejím využitím lze zobrazit mapu sil mezi atomy. Submolekulární rozlišení přitom vědcům umožňuje vidět, že jde nejen o určitou molekulu, ale také zjistit, jaký má tvar, orientaci a sílu, kterou interagují jednotlivé konce.

V laboratořích Fyzikálního ústavu AV ČR vědci provádějí obdobné molekulárně rozlišené AFM experimenty také, ovšem pro tento výzkum je provedli jejich čínští kolegové, kteří se na vodu specializují. „U nás jsme simulovali obrázky z mikroskopu, abychom je mohli přisoudit různým strukturám. Rovněž jsme vysvětlili, proč s různými hroty (zakončeny CO molekulou a Cl iontem) vypadají rozdílně. Bez simulací lze totiž některé obrázky interpretovat jen obtížně. Již delší dobu proto vyvíjíme program, který je pro takové simulace velmi efektivní, a pro tento účel jsem jej částečně rozšířil. Chci, aby se ve světě používal co nejvíce, a tak jsem jej naučil i čínské kolegy, takže později velkou část simulací prováděli sami. V praxi jsme se sice viděli málo, většinou jen na konferencích, ale ohromila mě energičností profesora Jianga,“ pochvaluje si spolupráci Prokop Hapala.



Obrázek 1. Zobrazení pravo- a levotočivého klastru čtyř molekul vody pomocí mikroskopu atomárních sil s hrotem zakončeným právě jednou molekulou kysličníku uhelnatého (a). Obrázek (b) a (c) ukazuje horní a boční pohled na tetramer vody adsorbovaný na povrchu NaCl (001). H, O, Cl, a Na atomy jsou označeny jako bílé, červené, zelené a fialové koule. Obrázek (d) a (i): vypočtená mapa elektrostatického potenciálu tetramerů vody. Obrázek (e-h) a (j-m): snímky z rastrovacího tunelovacího mikroskopu (e) a (j) ve srovnání se submolekulárním rozlišením stejného klastru na obrázcích pořízených pomocí mikroskopu atomárních sil při různých vzdálenostech sondy, viz obrázek (f a k), (g a l), (h a m).

Molekuly vody se rády orientují opačně nabitými konci (vodík +, kyslík -) k sobě a k iontům vytvářejí tzv. vodíkové vazby, což vede ke složitějším supra-molekulárním strukturám. V makroměřítku mezi ně patří například led nebo hydratované krystaly – třeba soda či sádra. Jak budou vypadat, závisí i na tvaru molekul a silových polí. Jak doplňuje Prokop Hapala, právě proto mají sněhové vločky tak hezky symetrické tvary. „Shluky několika málo molekul, které jsme studovali, jsou vlastně nejmenší možné sněhové vločky.“

Na rozhraní vody a pevných látek se přitom odehrávají nejrůznější fyzikální, chemické a technologické procesy – například vodní koroze, která vzniká v důsledku elektrochemických reakcí. Prokop Hapala potvrzuje, že studium chování vody patří mezi jednu z velkých výzev současné vědy. „Díky nové metodě můžeme na atomární úrovni experimentálně pozorovat, jak vypadají struktury vznikající v situaci, když nějaký materiál přijde do styku s vodou. Do nedávna to nešlo, protože struktury jsou příliš křehké, a když k nim přiblížíte hrot mikroskopu, rozbijete je.“

Jednou z technik, které se pro studium rozhraní vody a pevné látky používají, je rastrovací mikroskopie. Molekuly se zobrazují pomocí hrotu s atomárně ostrým zakončením. Nevýhodou je, že hrot musí interagovat se slabě vázanými molekulami vody, což vede k narušení jejich křehké struktury vody a nežádoucímu zkreslení měření.

„Rastrovací (řádkovací) nebo také sondovací znamená, že výsledný obraz měříme pixel po pixelu. Projíždíme nad vzorkem sondou (obvykle ostrá kovová jehla, v našem případě zakončená molekulou CO nebo ionem Cl-) zleva doprava a shora dolů a nad každým pixelem snímáme velikost síly, kterou je jehla přitahována nebo odpuzována od vzorku, tedy od nanovloček složených z několika molekul vody,“ vysvětluje Prokop Hapala.

Pixely v obrázku jsou od sebe vzdáleny méně než 10 pikometrů (10 miliardtin milimetru!) zatímco vzdálenosti mezi atomy v molekulách činí okolo 100 pikometrů. Jelikož vědci potřebují extrémně precizní přístroj a vyloučit rušivé vibrace, provádějí měření při teplotách kapalného helia (4° nad absolutní nulou O Kelvinů).

Podle Prokopa Hapaly simulace ukazují, že lze vidět také tenké ostré hrany, široké třeba jen jeden pixel, které vznikají v místech, kde je molekula na hrotě (například CO) v labilní poloze mezi dvěma výhodnějšími pozicemi a může se vychýlit na jednu či druhou stranu (sedlový bod). „Sice jde o artefakt měření, ale nese užitečnou informaci o chování molekul a topologii silových polí mezi nimi.“

Alternativou rastrovací mikroskopie jsou neinvazivní spektroskopické metody jako například optická spektroskopie, rozptyl neutronů a nukleární magnetická rezonance. Tyto metody ovšem neumožňují lokálně určit struktury malých klastrů vody na površích pevných látek.


Prokop Hapala z Fyzikálního ústavu AV ČR získal v roce 2016 Prémii Otto Wichterleho; na snímku s bývalým předsedou Akademie věd ČR Jiřím Drahošem.

Prokopa Hapalu zajímá ještě jiná oblast: manipulace jednotlivými molekulami a jejich skládání do složitějších struktur. Jak vysvětluje, jde o mechanizmus, jehož pomocí živá příroda vytvořila složité molekulární stroje, jako je i naše tělo. „Většina živých strojů se skládá pomocí vodíkových vazeb podobně jako klastry vody. Takže manipulace molekulami vody je vlastně hra, při které se učíme, jak manipulovat i jinými molekulami vázanými vodíkovými vazbami. Snad se díky tomu jednou podaří sestrojit složité, samoreplikující se molekulární stroje. A abychom je mohli systematicky stavět, potřebujeme vidět, jak naše výtvory přesně vypadají, a zároveň je nerozbít.“

Připravil: Luděk Svoboda, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Viktor Černoch, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, Fyzikální ústav AV ČR

Přečtěte si také

• Tuk je možné vydolovat i z tisíce let staré keramiky, říká Veronika Brychová
• Svérázná říše umělé inteligence. Máme se jako lidstvo bát, nebo být nadšení?
• Přelomové datování. První lidé přišli do Evropy už před 1,4 milionu let
• Přitažlivá nepřitažlivost. Vědci experimentálně potvrdili novou formu magnetismu
• Krása neviditelného krystalu. Jak se zkoumá skrytý svět atomů a molekul
• Planetky neboli asteroidy: jak pomáhají vědcům při dobývání a výzkumu vesmíru
• Nová krystalografická metoda pomůže ve vývoji léků i rychlejších počítačů
• Dva bratři Jungwirthové, dva prestižní evropské granty ve výši 120 milionů korun
• Budoucnost energetiky: malé modulární reaktory jako zdroj čistší energie
• V Česku ve vědě zůstává ohromné množství srdcařů, říká Helena Reichlová