Príliš živá voda

Voda si našu pozornosť určite zaslúži. Svet pozná iba málo takých tajomných látok, ako je práve táto. Schlaďte ju pod štyri stupne Celzia, a začne na rozdiel od väčšiny známych substancií svoj objem zväčšovať. Kto raz zabudol v mraze na balkóne vodu uskladnenú v sklenej fľaši, vie, o čom je reč. Voda je skutočne výnimka. Keď zamrzne, zmenší svoju hustotu, čo väčšina ostatných látok nevie. Táto zvláštnosť dovolila vzniknúť ľadovcom a ľadovcovým ostrovom. Keby sa voda správala ako ostatné látky, ľadová kryha by jednoducho klesla ku dnu.

Vodu veľmi ťažko dovediete do varu. Potrebujete k tomu desaťnásobok energie, akú si vyžaduje rovnaké množstvo železa. Tenzia povrchu vody je dokonca vyššia než tenzia látok, ktoré tvoria na svojej hladine akoby film – napríklad glycerol. A k tomu všetkému je voda skvelý rozpúšťač.

Vodu tvorí jednoduchá molekula z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka. Samo chemické zloženie nepatrí k najzaujímavejším. Zaujímavé sú však chemické väzby, ktoré sa medzi týmito molekulami vytvárajú. Práve ich charakter do značnej miery spôsobuje zvláštnosti látky zvanej voda.

„Dve molekuly vody sú zviazané vodíkovou väzbou, ktorá je prinajmenšom desaťkrát slabšia než iné väzby medzi chemickými prvkami. Väzba je dostatočne silná, aby udržala molekuly pohromade, ale príliš slabá na to, aby odolala tlakom,“ vysvetľuje vedec David Clary z londýnskej University College. To znamená, že voda môže vytvárať väzby, ktoré sú pri iných látkach nemysliteľné. Keby boli vodíkové väzby len o málo pevnejšie, bola by voda ešte pri stupňoch Celzia v pevnom stave. Za takýchto podmienok by tak nikdy na Zemi nevznikol život.

Clary začal tieto jedinečné väzby a správanie študovať. „Vychádzame z predpokladu, že keď pochopíme správanie jednej molekuly vody, potom dvoch spojených molekúl, troch, štyroch a tak ďalej, napokon pochopíme správanie sa vody ako celku.“ Načo to bude? Napríklad na poznanie presného bodu varu a topenia. Hodnoty, ktoré sa učíme v školách, totiž nie sú úplne presné. Teda z vedeckého hľadiska.

Základný program Claryho počítačového modelu vychádza z jednej molekuly vody, ktorej podobu vedci poznajú už roky: molekuly v tvare písmena V.

Kyslíkový atóm na seba viaže dva atómy vodíka, ktoré spolu zvierajú uhol približne sto štyri stupne. V mase vody sa potom vodíkové atómy správajú ako opilci na zábave (to je Claryho vyjadrenie): ustavične lapajú okolité atómy a vytvárajú nové krátkodobé spojenectvá, z ktorých za pár okamihov vycúvajú v prospech ďalšieho atómu.

„Objavili sme už najstabilnejšiu kombináciu dvoch, troch, štyroch a piatich molekúl vody. Všetky takéto zoskupenia vytvárajú dvojrozmerné prstence. Keď však k takejto konfigurácii pridáme ďalšiu molekulu, razom sa všetko dramaticky zmení.“

Počítačová simulácia je jedna vec, ale realita je niečo iné. Zatiaľ vedcom stále chýba dôkaz, že by sa molekuly vody aj v skutočnosti spájali práve takto.

Experimentom skutočných konfigurácií molekúl sa venuje Richard Saykally z Kalifornskej univerzity v Berkley. Používa k tomu špeciálnu techniku zvanú spektroskopia. Vodná para a argón sa zmiešajú dohromady, „roztočia“ sa vo zvláštnom tuneli nad rýchlosť zvuku, a potom sa skúmajú pomocou laserového lúča. Vychádza sa pritom z vedecky podloženého faktu, že rotácia akéhokoľvek objektu (a teda aj molekuly) je podmienená jeho tvarom. Preto je možné určiť podobu a tvar molekúl vody podľa toho, ako sa otáčajú.

Zdá sa, že vedci konečne poznajú usporiadanie molekúl, tak čo im bráni, aby zistili i presný bod varu a topenia? Mnoho. Aby mohli rozlúštiť tieto tajomstvá, musia preskúmať ešte stovky tisíc jednotlivých usporiadaní, a to je zatiaľ technicky príliš náročné. Doterajšie výpočty, pri ktorých sa berajú iba niekoľkými konfiguráciami, trvajú niekoľko dní, tak je možné si ľahko predstaviť, čo sa stane, keď začnú rátať s viacnásobnými spojmi.

Technické obmedzenia však neznamenajú, že vedci sedia so založenými rukami a čakajú na počítačové objavy. Študujú vodu aj z iných hľadísk. V Manchesterskom inštitúte vedy pracuje Jichen Li na výskume vodíkových väzieb. Li zistil, že medzi atómami vodíka existujú minimálne dve rôzne väzby. Jedna z nich je silnejšia, dokonca dvakrát taká silná ako druhá.

Li sa pokúsil svoj objav dokázať. Bombardoval ľadové kryštály voľnými neutrónmi. Neutróny narazia do jadra atómu kryštálu a donútia kryštály vibrovať. Chvenie určí, aké silné väzby sú medzi jeho jednotlivými atómami.

Ďalším krokom je zistiť, či sa vodíkové väzby správajú rovnakým spôsobom aj vtedy, keď je voda v tekutom stave. Neutróny tu príliš nepomôžu, pretože tekuté skupenstvo už nie je také pevné, aby boli záchvevy merateľné. Li je však presvedčený, že jeho predpoklad platí aj v tomto prípade.

Na čo vlastne takéto objavy slúžia? Záhadou je stále veľký teplotný rozsah, za ktorého zostáva voda v tekutom skupenstve. Vedci chcú zistiť, či sa pri vare narúša iba slabšia väzba medzi jednotlivými atómami alebo sa narúšajú oba druhy väzieb.

Podľa vedcov teória dvoch väzieb môže vysvetliť i záhadu vzniku života. Všetky živé organizmy sú z veľkej časti tvorené vodu. Voda v ich tele si udržuje určitú konštantnú teplotu. To sa dosahuje vyváženým pomerom medzi silnými a slabými vodíkovými väzbami. „K zmene silnej vodíkovej väzby na slabú potrebujete dosiahnuť určitú teplotu. Zdá sa, že hodnota tridsiatich siedmich stupňov Celzia je v tomto prípade rozhodujúca,“ vraví Li.

Možno je to náhoda, zatiaľ však zostáva nepreverená. K úplnému poznaniu vody si musíme teda počkať na ďalšie vedecké objavy.

(mb)