Vodní klastry a nejrychlejší rychlovarná konvice na světě

Nedávno zveřejnil časopis Angewandte Chemie – International Edition (2013) článek s názvem Ultrafast Energy Transfer to Liquid Water by Sub-Picosecond High-Intensity Terahertz Pulses: An Ab Initio Molecular Dynamics Study, který nás zaujal, protože je relevantní pro náš vlastní výzkum. Autoři P. Kr. Mishra, O. Vendrell a R. Santra v něm představují novou superrychlou metodu ohřívání vody pomocí laserů.

Věnování: Tento článek autor věnuje prof. Zdeňku Hermanovi, který zavedl metodu molekulových paprsků v České republice a zasloužil se o její rozvoj pro výzkum elementárníchchemických procesů mezi ionty a molekulami.

Soustředěním velmi intenzivních laserových pulzů s frekvencí terahertzů (10¹² s^–1) do velmi malého objemu vody řádu nanolitrů (tj. 10^–9 l) lze tento objem ohřát o 600 °C za velmi krátkou dobu asi půl pikosekundy (0,5×10^–12 s). V následujících řádcích se budeme zabývat tím, proč je to zajímavé i jakým způsobem to může souviset s naším vlastním výzkumem klastrů vody v molekulových paprscích.

Elektromagnetické záření o frekvenci terahertzů se nachází ve spektru mezi infračerveným  a radiofrekvenčním zářením. Kdyby váš (nebo i cizí) pes vrtěl ocasem s frekvencí 1 THz, znamenalo by to, že by jím mávnul 10¹²krát za sekundu. Dle vztahu mezi frekvencí  a energií elektromagnetického záření nese v sobě foton terahertzového záření energii 2,51 kJ/mol. Pro srovnání je to například téměř 200krát méně, než odpovídá energii vazby mezi kyslíkem a vodíkem v molekule vody; jinými slovy energii, kterou je třeba dodat molekule vody, abychom v ní odtrhli vodík od kyslíku. Také je to 17krát méně, než odpovídá energii, s jakou vibruje atom vodíku vůči atomu kyslíku v molekule H₂O (v tzv. symetrickém vibračním modu). A ještě jiné srovnání se nabízí se silou, jakou se k sobě váží dvě molekuly vody vodíkovou vazbou O–H···O, která je téměř 10krát větší.

Na první pohled tedy terahertzový foton nevypadá nijak „nebezpečně“. Ale při pohlcení obrovského množství nízkoenergetických terahertzových fotonů vodou najednou je jejich energie přeměněna na energii vzájemného pohybu molekul, které se okamžitě divoce rozvibrují. Tento jejich pohyb odpovídá zahřátí vody.

Klastry vody v naší laboratoři

O důležitosti vody, která pokrývá více než 70 % povrchu naší planety, není třeba se rozepisovat. Přestože se jejímu zkoumání věnují vědci od fyziků přes chemiky až po biology a geology, zůstává řada otázek okolo vody stále nezodpovězená. V naší experimentální laboratoři zkoumáme zejména roli vody jako solventu, v němž se odehrávají různé fyzikální a chemické procesy s nejrůznějšími molekulami. Jedním z příkladů je acidická disociace molekuly chlorovodíku HCl, tj. její roztržení ve vodním prostředí na iontový pár: chlorový anion Cl^– a proton H⁺, který okamžitě zreaguje s molekulou vody na hydroniový kation H₃O⁺, HCl + H₂O → Cl^– + H₃O⁺.