Voda uvnitř nanotrubiček. Vlevo uhlíková, vpravo z nitridu bóru. Kredit: Multiscale Materials Laboratory.

Nanotechnologie jsou svými rozměry blízké molekulám. Takže ani není zvláštní, že mohou ovlivnit tvar molekul i jejich vlastnosti. Nedávno to zjistili na Riceho univerzitě, když jejich tým vyrobil nanotrubičky tak, aby pasovaly na molekuly vody. Když mají nanotrubičky tu správnou velikost, tak tak se molekuly vody, které za normálních okolností nejsou rovné, pěkně narovnaly do podoby nanotyčky. Jejich výzkum zveřejnil časopis Langmuir.

Rouzbeh Shahsavari. Kredit: Jeff Fitlow/Rice University.

Voda vděčí za své mimořádné chemické a fyzikální vlastnosti právě tomu, že její molekuly mají pozoruhodnou geometrii. Atomy vodíku a kyslíku v molekule vody totiž nejsou uspořádané lineárně, tedy v přímce, ale chemické vazby mezi těmito atomy svírají úhel cca 105°. Geometrie molekuly a polarita vazeb mezi atomy vodíku a kyslíku vede k dobré rozpustnosti polárních a iontových látek ve vodě, a také ke slavné hustotní anomálii vody, která spočívá v tom, že voda má nejvyšší hustotu při teplotě 3,98 °C. Vodní led tudíž plave na hladině. Což je mezi materiály naprosto výjimečné.

Rouzbeh Shahsavari a jeho tým vlastně využili molekuly vody, aby na nich demonstrovali svoji teorii, podle které jsou slabé van der Waalsovy síly mezi vnitřním povrchem nanotrubiček a molekulami vody ve skutečnosti dost silné na to, aby srovnaly atomy vodíku a kyslíku do latě. Uvnitř nanotrubičky vznikne z vody materiál, který Shahsavari nazývá „dvojrozměrným ledem“. 2D led je totiž „zmrzlý“ bez ohledu na okolní teplotu.

Geometrie molekuly vody. Kredit: Paddy / Wikimedia Commons.

Odborníci již dlouho vědí, že molekuly vody v těsných prostorech nabývají zajímavé strukturní vlastnosti. Shahsavari a spol. si s tím ale důkladně pohráli. Postavili modelové nanotrubičky z uhlíku a nitridu bóru, u nichž bylo možné měnit průměr. Molekuly vody mají průměr asi 3 angströmy (1 angström odpovídá 0,1 nanometru). Badatelé testovali jejich parametry v nanotrubičkách o průměru 8 až 12 angströmů. Experimenty ukázaly, že pro „narovnání“ molekul vody jsou nejlepší nanotrubičky o průměrech, které jsou zhruba uprostřed mezi těmito hodnotami. V takovém případě mají nanotrubičky největší vliv interakce mezi van der Waalsovými silami a molekulami vody, což vede ke vzniku 2D ledu.

Když jsou nanotrubičky příliš úzké, tak se dovnitř podle Shahsavariho vejde na šířku pouze jedna molekula vody, takže není co řešit. A když jsou nanotrubičky moc široké, tak voda zůstává v podobě amorfního shluku molekul, jako obvykle. Když se ale šířka nanotrubiček přiblíží k 10 angströmům, plus mínus cca 2 angströmy, tak se voda začne měnit ve 2D led. Úplně nejsilnější interakce mezi van der Waalsovými silami a molekulami vody vědci nalezli v nanotrubičkách z nitridu bóru o průměru 10,5 angströmu. Podle Shahsavariho to vyplývá z polarizace atomů v těchto nanotrubičkách.

Proč si vlastně hrát s nanotrubičkami a vodou? Shahsavari je přesvědčen, že by nanotrubičkový 2D vodní led mohl nalézt uplatnění v molekulárních strojcích nebo v nanokapilárách. Rovněž by se mohl podílet na aplikaci pár molekul vody či nějaké jiné látky do živých buněk, prostřednictvím nanobrček.

Literatura
Rice University 24. 8. 2018, Langmuir online 23. 8. 2018.