Nejdřív modrý a pak zlatý. Vědci popsali vznik kovu na molekulární úrovni

14-06-2020

Víte, jak vzniká kov a že může být i kovová voda? Tým, jehož součástí jsou i čeští vědci, popsal, jak vypadá přechod ke 'kovovému chování' na molekulární úrovni. Studii o výzkumu publikoval prestižní časopis Science.

Foto: Vojtěch Koval, archiv ČRoFoto: Vojtěch Koval, archiv ČRo

Pavel Jungwirth, foto: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČRPavel Jungwirth, foto: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČR Také si ze školy pamatujete házení sodíku do vody a následný výbuch? Jak říká chemik Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie, takhle to vlastně začalo.

"Chemici se baví tím, že dělají výbuchy. A takový nejjednodušší výbuch je, když hodíte sodík do vody. To jsme dělali taky, ale pak už nás to přestalo bavit. Ono se při tom vždycky něco rozbije, tak jsme si říkali, jestli by se voda nedala nahradit něčím, co by nevybuchovalo. Je to kapalný amoniak, česky se tomu říká čpavek. Když se hodí kousek sodíku do čpavku místo do vody, tak základní fyzikální proces probíhá stejně. Z toho kovu, ze sodíku se uvolňují elektrony, rozpustí se v tom roztoku, ale nedochází k výbuchu a můžeme rozpouštění těch elektronů studovat. Amoniak je nevodič, izolant a my do něj můžeme přidávat elektrony. Když jich tam dáme dost, tak najednou z toho materiálu vznikne kov. A to jsme studovali."

Má ten kov nějakou barvu?

Foto: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČRFoto: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČR "Ano, chemie může být někdy krásná. Už 200 let se ví, že když se do kapalného amoniaku začnou přidávat elektrony z toho alkalického kovu, tak se to zbarví nádherně modře. Je to takový temně modrý inkoust, jako kdyby chobotnice vypustila inkoust do mořské vody. Ale to ještě není kov. Když je to v tom modrém stadiu, tak se tomu říká elektrolyt. Elektrolyt je třeba, když se rozpustí kuchyňská sůl ve vodě. Taky vede elektrický proud, ale ne moc dobře. Ale když se tam alkolického kovu začne přidávat víc a víc, tak dojde skoro k chemickému zázraku. Ten modrý roztok najednou zezlátne. Vypadá to jako bronz nebo zlato a vidíte, že je to kov, má to takový charakteristický kovový lesk. Najednou ten systém vede elektřinu líp než měděný drát. My jsme zmapovali ten způsob přechodu z toho modrého elektrolytu do bronzového kovu. Tohle je sice známé 50 let, ale my jsme na to použili techniku, která se jmenuje fotoelektronová spektroskopie, která nám umožní si každý elektron osedlat a ptát se na té mikroskopické úrovni, co se stane s elektronem, když se z materiálu stane kov."

Zdroj: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČRZdroj: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČR Sáhli jste si na ten kov?

"On amoniak není moc zdravý. Jednak strašně smrdí a je nebezpečný, kdyby se to dostalo do oka. Není to jako ta hra Malý chemik, abyste si s tím mohli hrát. Ale zase to není žádná složitá chemie, není to karcinogenní. Dá se to udělat v normální laborce s digestoří. Problém je, že na to měření potřebujete synchrotron, což je urychlovač. Je to zařízení velké jako fotbalové hřiště a stojí miliardy. V Česku žádný není. Tady jsme si ten experiment připravili, pak jsme to dali do auta a odjeli do Berlína, kde jsme získali měřící čas."

Vy jste říkal, to už je známé 200 let, to je známé 50 let. Váš objev publikoval prestižní časopis Science. Byl váš objev zajímavý tím, že byl na té nejmenší molekulární úrovni?

Tým českých vědců v berlínském synchrotronu BESSY II, foto: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČRTým českých vědců v berlínském synchrotronu BESSY II, foto: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČR "Říkáte si, proč takovou starou vestu publikují, že? Ale je to správný dotaz, protože většinou v Science publikují novinky. My jsme schopni se na starý problém podívat novýma očima. O tom problému se ví 200 let. Porozumění hmotě dnes znamená, že jí rozumíte na molekulární úrovni. Elektrickou vodivost toho systému lidé naměřili po druhé světové válce, to není složité. Ale neřekne vám to, co tam ty elektrony skutečně dělají, co se tam molekulárně děje. My jsme tam vlastně přinesli to moderní pochopení, co se tam děje. Když taje led, tak tam při nula stupních prudce z pevné látky vznikne kapalina. Tenhle přechod je jiný, není takhle prudký, je pozvolnější, když se tam přidává ten alkalický kov, postupně tam to kovové chování vzniká. To je něco, co jsme dokázali zmapovat, co nikdo před tím na té molekulární úrovni neviděl. Tam se zkombinovalo pár věcí, proč se to dostalo do Science. Jednak je to problém, o kterém každý chemik ví, jednak jsme se na to podívali novýma očima a byli jsme schopni něco nového o tom starém problému říct."

Schematické zobrazení mikronástřiku tekutého amoniaku s rozpuštěnými alkalickými kovy a jeho měření na synchrotronu BESSY II, zdroj: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČRSchematické zobrazení mikronástřiku tekutého amoniaku s rozpuštěnými alkalickými kovy a jeho měření na synchrotronu BESSY II, zdroj: archiv Ústavu anorganické chemie a biochemie Akademie věd ČR Já jsem se dočetla, že hlavní cíl zkoumání je připravit kovovou vodu. Vy jste říkal, že jste vodu nahradili čpavkem, protože vybuchuje, tak jak připravíte tu kovovou vodu?

"Lidi se mě ptají, k čemu je to dobré, já tedy buď řeknu k ničemu, protože to je poctivá odpověď. Kdysi dávno se lidé domnívali, že by se tento materiál dal použít na vysokoteplotní supravodiče, ale to se neprokázalo. Myslím, že to je modelový systém. Nebude z toho žádný průmyslový výrobek. Co by bylo pro nás chemicky nejzajímavější, nějak obejít tu výbušnost ve vodě a zkusit udělat tento materiál i ve vodě, alespoň na chvilku. Z vody, kterou všichni známe a je to izolant, udělat alespoň na chviličku kov. Tam jsme udělali takový trik, jak obejít ten výbuch. Už to máme hotové, ale nebylo to publikované. A etické zásady Akademie věd, říkají, že nejdříve musíme výsledky opublikovat, nechat si to zkritizovat od svých kolegů odborníků, a pak to teprve můžeme přeložit veřejnosti. Jde to i s tou kovovou vodou. Je to výborný model pro studenty i pro vědce, jak se naučit, jak vzniká kov."

14-06-2020