Vědci popsali novou krystalickou podobu ledu. Led XIX vzniká za podmínek odlišných od běžného ledu

Voda má devatenáct potvrzených krystalických podob, a ta poslední vzniká při tlaku desetitisíckrát vyšším, než jaký panuje na zemském povrchu.

Foto: Pixnio

Když řeknete „led“, většina lidí si představí kostku v nápoji nebo námrazu na chodníku. Jenže led, který známe z každodenního života (krystalograficky označovaný jako led Ih), je jen jedna z mnoha tváří zmrzlé vody. Tým fyziků z rakouského Innsbrucku vedený Thomasem Loertingem v únoru 2021 publikoval v časopise Nature Communications strukturální popis devatenácté krystalické formy: ledu XIX. Nejde o novou chemickou látku. Jde o totéž H₂O, jen s jiným prostorovým uspořádáním atomů, a právě ta drobná změna v pozicích vodíků mění fyzikální vlastnosti natolik, že vědci mluví o zcela samostatné fázi.

Stejná kostra, jiné vodíky

Klíč k pochopení ledu XIX leží v jeho příbuzenství se dvěma staršími formami, ledem VI a ledem XV. Všechny tři sdílejí tutéž kyslíkovou „kostru“: atomy kyslíku sedí na stejných místech krystalové mřížky. Rozdíl je v tom, jak se v této síti chovají atomy vodíku. U ledu VI jsou vodíky orientačně neuspořádané, mohou ukazovat různými směry. Led XV představuje jednu variantu jejich částečného uspořádání, led XIX druhou.

Právě tady se skrývá důvod, proč objev není jen sběratelskou položkou. Dvě různá vodíková uspořádání v téže kyslíkové topologii znamenají, že i nepatrný posun v pozicích nejlehčího prvku periodické tabulky stačí k tomu, aby krystal získal jinou symetrii, jiný objem elementární buňky a jiné termodynamické vlastnosti. Led XIX má oproti ledu XV kratší parametr c a menší objem buňky: 449,2 ų proti 450,6 ų. Rozdíl vypadá titěrně, ale právě on rozhoduje o tom, která fáze je stabilnější při jakém tlaku.

Laboratoř místo přírody: jak led XIX vzniká

Běžný led Ih krystalizuje při atmosférickém tlaku a teplotě kolem 0 °C. Led XIX vyžaduje podmínky, které na zemském povrchu neexistují. Innsbrucký tým vzorky připravoval kompresí vody na 1,8 GPa (to odpovídá přibližně osmnácti tisícům atmosfér), následným ohřevem na 255 K (asi −18 °C) a pomalým ochlazováním až na 77 K, tedy −196 °C. Stabilní oblast ledu XIX autoři vymezili mezi 1,0 a 1,5 GPa při teplotách pod zhruba 103 K (−170 °C).

Cesta od prvních indicií k definitivnímu popisu trvala tři roky. Loertingův tým už v roce 2018 publikoval důkazy, že vedle ledu XV existuje ještě druhá uspořádaná varianta odvozená od ledu VI. Problém byl v tom, že pro přesné určení poloh vodíků potřebovali neutronovou difrakci, a ta vyžaduje deuterovaný led, tedy zmrzlou těžkou vodu D₂O. Jenže kinetika uspořádání vodíků se v D₂O chová jinak než v běžné H₂O. Průlom přišel, když vědci přidali malý podíl obyčejné vody do těžké a podařilo se jim „odemknout“ správný přechod. Strukturu pak vyřešili porovnáním tisíců kandidátních modelů s naměřenými difrakčními daty na britském neutronovém zdroji ISIS v Rutherford Appleton Laboratory.

Proč má voda tolik tváří

Devatenáct potvrzených krystalických fází (a od října 2025 už dokonce jednadvacet) dělá z vody jednu z polymorfně nejbohatších látek vůbec. Za tuto rozmanitost může vodíková vazba. Každá molekula H₂O dokáže vytvořit až čtyři vodíkové vazby se sousedy a geometrie těchto vazeb se mění s tlakem a teplotou. Výsledkem je nepřeberné množství možných uspořádání, z nichž každé odpovídá jiné krystalické fázi.

Přehledová studie Loertingova týmu z roku 2020 v Communications Chemistry výslovně upozorňovala, že nad známými fázemi existují další předpovězené struktury čekající na experimentální potvrzení. Objev ledu XIX tuto předpověď naplnil, a pole se od té doby posunulo ještě dál. V roce 2026 už vycházejí práce o superionických fázích vody, kde se protony pohybují krystalem jako v kapalině, zatímco kyslíky zůstávají na místě. I u ledu XIX přitom zůstávají otevřené otázky: odborný komentář v Nature Communications z roku 2021 upozornil, že přesná symetrie a míra vodíkového uspořádání byly stále předmětem diskuse.

Od laboratoře k nitrům ledových světů

Přímý praktický dopad na každodenní život led XIX nemá. Jeho význam je jinde: v modelech nitra velkých ledových těles Sluneční soustavy. Na Ganymedu, největším měsíci Jupiteru, panují v hloubce pod povrchovým ledem tlaky, při nichž se podle modelů NASA vyskytuje právě led VI, tedy rodičovská fáze ledu XIX. Znalost toho, jak se v takových podmínkách chovají vodíky, zpřesňuje odhady hustoty, tepelné vodivosti a viskozity ledových vrstev, které oddělují podpovrchový oceán od skalnatého jádra.

U Europy je situace jiná; tamní oceán je pravděpodobně v přímém kontaktu s horninou, takže „sendvičové“ ledové patro chybí. Naopak u Uranu a Neptunu se očekávají ještě extrémnější fáze vody, včetně superionických stavů. Na samotné práci o ledu XIX čeští autoři nefigurují, ale brněnský Ústav přístrojové techniky AV ČR s Loertingovým týmem spolupracuje na výzkumu amorfních ledů a vědci z Geofyzikálního ústavu AV ČR i z Matematicko-fyzikální fakulty UK se věnují chování vody a ledu v podmínkách ledových světů.

Led XIX je důkazem, že i ta nejprostší molekula na Zemi dokáže překvapit; stačí zvýšit tlak a nechat vodíky, aby si našly novou cestu. A vědci zatím nemají důvod si myslet, že už všechny cesty zmapovali.