Od nekovu ke kovu: objev Pavla Jungwirtha na obálce časopisu Science

Kov charakterizují volné elektrony, které způsobují jeho velkou elektrickou vodivost. Tuto definici najdete snad v každé učebnici chemie. Jak ale z původně vázaných elektronů vzniká kovový vodivostní pás a jak přitom materiál vypadá na mikroskopické úrovni? Právě to se podařilo detailně zmapovat mezinárodnímu týmu vedenému Pavlem Jungwirthem z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Výsledky jeho výzkumu se dostaly až na titulní stranu prestižního časopisu Science.

Laboratorní cvičení z chemie. Učitel obřadně vhazuje kousek sodíku do baňky s vodou. A bum! Místnost na chvíli ozáří malý výbuch. Na tento efektní pokus si ze školy pamatují mnozí z nás.

Co se ale stane, když tento alkalický kov přidáte do kapalného amoniaku? Tuto otázku si položil tým Pavla Jungwirtha z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR a jeho kolegové z Německa a USA. A dlouhodobé zkoumání tohoto jevu přineslo průlomové poznatky.

Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR

„Ve vodě se ze sodíku uvolňují elektrony, které v ní velmi rychle reagují. Proto při reakci dochází k výbuchu. V kapalném amoniaku je však možné tyto elektrony krásně studovat. I když to tedy strašně smrdí a látku musíte nejprve zchladit na minus třicet tři stupňů Celsia, protože při pokojové teplotě je amoniak plyn,“ usmívá se Pavel Jungwirth.

Od modré po kovovou

Sodík v kapalném amoniaku nejprve krásně zmodrá. Když ho však přidáte ještě víc, roztok získá zlatavou nebo bronzovou barvu. Nekov se tedy vlastně promění v kov.

„Tato reakce je známá už asi padesát let. Nám se ale podařilo detailně zmapovat, co přesně se při ní děje. Rozpuštěné elektrony se v roztoku propojí a začnou se chovat podobně jako třeba v měděném drátu. Stejně dobře vedou elektřinu,“ pokračuje fyzikální chemik.

Objev Pavla Jungwirtha a jeho týmu na obálce časopisu Science

Kovové chování přitom podle něj vzniká pozvolna. „Není tam přesná hrana, jako když taje led na vodu. Je to spíše plynulá změna, při které se elektrolyt mění v kov,“ dodává.

Vědci proces zkoumali za pomoci fotoelektronové spektroskopie. Tato technika využívající ultravysokého vakua se přitom dlouho považovala za neslučitelnou se zkoumáním těkavých kapalin, jako je třeba kapalný amoniak. Jungwirthův tým však uspěl díky technice takzvaných mikronástřiků.

„Do vakua jsme amoniak vstřikovali pomocí mikrotrysek tenčích než lidský vlas. Materiálu se tam tedy dostane strašně málo, a poté se to dá změřit,“ líčí Pavel Jungwirth s tím, že tyto experimenty skupina prováděla na synchrotronu BESSY II v německém Berlíně.

Schéma mikronástřiku tekutého amoniaku s rozpuštěnými alkalickými kovy

Výsledky jejich měření poskytují detailní molekulový popis přechodu nekovové látky v kovovou, a tím umožňují lépe porozumět vzniku kovového chování a s ním spojených vlastností, jako je například vysoká elektrická vodivost.

O krok blíže snu jménem kovová voda

„Právě publikovaná studie o kovovém amoniaku nám snad otevře dveře k realizaci našeho ‚nejvýbušnějšího‘ snu – přípravy kovové vody tak, že ji velmi opatrně smícháme s alkalickými kovy,” věří Pavel Jungwirth, který se letos v květnu stal předsedou Učené společnosti ČR.

Když se do kapalného amoniaku přidá větší množství sodíku, roztok se zbarví do bronzova.

A k čemu by byla taková kovová voda dobrá? „Byl by to krásný model, na němž by se dal ve školách vyučovat přechod mezi chemií a fyzikou. Kus drátu viděl každý, ale tyto experimenty mohou v praxi ukázat, jak onen kovový drát vlastně může vzniknout,“ uzavírá vědec.

Připravila: Radka Římanová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Tomáš Belloň, Ústav organické chemie a biochemie AV ČR; Science

Přečtěte si také

• Nový vodíkový elektrolyzér ukládá energii z obnovitelných zdrojů
• Chemičkou jsem se chtěla stát už od čtrnácti let, říká Adéla Šimková
• Vědci vyvinuli novou kontrastní látku, která pomůže včas odhalit skryté nemoci
• Rostliny v sobě mají neuvěřitelné chemické bohatství, říká Tomáš Pluskal
• Krotitelé molekul: vědci objevili, jak zvýšit kapacitu molekulárních čipů
• Od vynálezu k praxi. Firma vyzkouší metodu jednodušší výroby metanolu
• Badatelé představili 3D materiály pro rekonstrukční a plastickou chirurgii
• Proč se Země a Venuše vyvinuly odlišně? Napoví mise, jíž se účastní i Češi
• Nová zobrazovací metoda pomůže rychleji identifikovat například rakovinné tkáně
• AMULET se zaměří na vývoj multiškálových materiálů, získal téměř půl miliardy