SK
EN
Vedci skúmali oxid siričitý pod tlakom
Fyzici z Univerzity Komenského ukázali, že oxid siričitý je novým príkladom existencie viacerých foriem neusporiadania v tuhom skupenstve. Pomocou experimentov a počítačových simulácií skúmali, čo sa deje v systéme pri vysokom tlaku a zistili, že existujú dve neusporiadané formy - molekulárna a polymerická. Publikácia, ktorej spoluautormi sú Mgr. Ondrej Tóth a prof. Roman Martoňák, vyšla začiatkom apríla 2020 v prestížnom multidisciplinárnom časopise Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) a je výsledkom medzinárodnej spolupráce viacerých skupín.
Je dobre známe, že látka môže existovať v troch základných skupenstvách alebo fázach – tuhá látka (typicky kryštál), kvapalina a plyn. Základný rozdiel medzi nimi spočíva v miere usporiadanosti štruktúry. V kryštáli sú atómy usporiadané na dlhú vzdialenosť, v kvapaline na krátku a v plyne prakticky vôbec. Nachádzame však aj formy, ktoré majú súčasne vlastnosti kryštálov aj kvapalín. Napríklad sklo je vlastne zamrznutá kvapalina a napriek tomu, že drží tvar, podobne ako kryštál, jeho štruktúra na atomárnej úrovni je neusporiadaná ako v kvapaline. Takéto tuhé formy voláme amorfné a okenné sklo (amorfné SiO2) je ich najbežnejším a typickým príkladom.
Pri zmene tlaku a teploty sa však usporiadanie atómov môže zmeniť, čím sa vlastnosti látky zmenia. Typickým príkladom je zmena grafitu na diamant pri vysokom tlaku. Okrem rôznych foriem usporiadania (polymorfizmus) môžu existovať aj rôzne formy neusporiadania atómov v tuhých látkach a tento zaujímavý a pomerne málo preskúmaný jav sa volá polyamorfizmus.
Naši vedci spolu s kolegami z Talianska, Veľkej Británie a Číny skúmali oxid siričitý. Keďže ide o jednoduchú molekulu s viacnásobnými väzbami, pri zvýšenom tlaku možno očakávať vznik polymerickej formy. Podobné transformácie už boli pozorované v tuhom oxide uhličitom (CO2) a dusíku (N2), kde v molekulách existujú dvojité či trojité väzby. „Správanie oxidu siričitého SO2 pod tlakom nebolo teoreticky skúmané vôbec a experimentálne len málo. Dalo sa predpokladať, že pri nie príliš vysokom tlaku dôjde k polymerizácii a vzniknú reťazce podobné tým, ktoré existujú v analogickej zlúčenine SeO2 (minerál Downeyit) pri normálnom tlaku,“ vysvetľuje Roman Martoňák.
V štúdii vedci skúmali, čo sa stane s kryštálom zmrznutého oxidu siričitého pri vysokom tlaku. Ukázalo sa, že z kryštalického stavu najprv prejde do amorfného, čiže molekuly, ktoré boli v kryštáli usporiadané pravidelne, sa „rozhádžu“. Pri ešte vyššom tlaku nastane transformácia chemických väzieb v molekulách a tieto sa presne podľa predpokladu naozaj spoja do polymerických reťazí. Znížením tlaku sa však systém vráti späť do molekulárnej amorfnej podoby. Ide o objav nového typu vratného prechodu medzi dvoma neusporiadanými stavmi – molekulárnym a polymerickým. Je to ďalším dôkazom toho, že aj neusporiadaná látka môže nadobúdať viacero foriem. Naši vedci v štúdii uskutočnili rozsiahle počítačové simulácie, ktoré umožnili detailne interpretovať experimentálne pozorovania.
„Bolo by veľmi zaujímavé preskúmať, či sa oxid siričitý správa podobne aj v kvapalnej fáze a či existuje podobný prechod medzi molekulárnou a polymerickou kvapalinou. Takéto prechody sú dosť vzácne a zaujímavé pre fundamentálne chápanie štruktúry kondenzovaných látok,“ uzatvára Roman Martoňák.