Kdo by byl řekl, že o nejzákladnější součástce života ještě něco nevíme... Kupodivu toho o vodě nevíme hodně, od minulého pátku jsme však zase o střípek moudřejší. V prominentním časopise Science totiž vyšel článek vědců z Göttingenu, pod nímž je podepsán i Petr Slavíček z pražské Vysoké školy chemicko-technologické (VŠCHT). Výzkumný tým zjistil, kolik molekul je zapotřebí k vytvoření krystalku ledu. Zjištění, že ledový nanokrystal musí mít alespoň 275 molekul vody, aby nabral „tvar“, je důležité i pro pochopení dějů v atmosféře.
„Šance, že se dostanete do časopisu, jako je Science, je věcí tak trochu náhody. Musíte mít projekt, který oslovuje širší skupinu vědců. A voda zrovna docela dost lidí zajímá. Přestože ji všichni zkoumají, víme o ní hrozně málo. Je v mnoha ohledech jiná než ostatní kapaliny, a důležitá je přitom skoro všude – počínaje planetární vědou a kosmickým výzkumem, přes atmosférickou fyziku, fyziologii, geochemii až po průmysl,“ řekl ČESKÉ POZICI Petr Slavíček (36), jenž má na kontě přes sedmdesát článků, včetně publikací ve vysoko-impaktovaných časopisech jako Journal of the American Chemical Society či Angewandte Chemie.
Fyzikálně-chemický teoretik se spojil s experimentátory Thomasem Zeuchem z Univerzity Göttingen a Udo Buckem z Ústavu Maxe Plancka pro dynamiku a samoorganizaci a přesně identifikovali strukturu ledu v nanokrystalech: z náhodně nahloučených molekul se ledový krystal začne vytvářet od shluků přibližně 250 molekul H2O; při počtu 475 molekul je prakticky hotov.
Petr Slavíček: „My jsme nyní schopni říci, jaká je situace s rozlišením jediné vody, což nikdo předtím nezměřil“„Vzniká jakési krystalické jádro, které je čím dál větší, ale stále má ,tající‘ povrch. Chemické reakce v atmosféře se nejspíše budou odehrávat právě na tomto tajícím povrchu. Je to vlastně fázový přechod, který ale není skokový, jak jsme u ledu zvyklí,“ vypráví docent Slavíček. Číslo 275 je překvapivé. „Z některých simulací vyplývalo, že by to tak mělo být, ale někteří vědci, kteří se zabývají homogenní nukleací, odhadovali, že to bude spíš přes tisícovku. My jsme nyní schopni říci, jaká je situace s rozlišením jediné vody, což nikdo předtím nezměřil,“ vysvětluje Slavíček.
Až za hlubiny dešťové kapky
Podstatou nového zjištění je odpověď, kdy a na jaké úrovni se z molekul stává „materiál“. V tiskové zprávě, kterou VŠCHT o článku v Science vydala, vědci upozorňují, že obyčejná dešťová kapka obsahuje asi 1020 molekul vody! Publikovaná práce ukazuje, že i malinké shluky molekul se již chovají jako látky známé ze světa našich rozměrů, což bylo možné zjistit díky výzkumu kondenzace amorfní vody přímo z plynné fáze.
„Takové děje hrají velkou roli v horních vrstvách atmosféry a v celém planetárním systému,“ říká profesor Buck, jenž se Slavíčkem dlouhodobě spolupracuje. Poznatky by mohly přispět i k poznání, jak ve stratosférických mračnách nad Antarktidou dochází ke katalytickým reakcím, jež vedou ke vzniku ozónové díry. „Pokusy a molekulární simulace jsou asi nejschůdnější cestou, jak se o těchto jevech dozvědět více,“ míní Slavíček.
Úspěch v Science je dokladem širšího významu článku. „My jsme se na začátku projektu zabývali úplně jinou věcí: zajímal nás sodík na vodě jako zdroj něčeho, co se nazývá solvatovaný elektron, což je také hrozně zajímavé téma, ale pro menší komunitu. V poslední době se ukazuje, že reakce solvatovanového elektronu může hrát velkou roli při rozkladu ozónů nebo třeba pro genotoxicitu ionizujícího záření,“ říká Slavíček.
V nejnovější práci sloužil sodík a solvatovaný elektron pouze k „ohmatání si“ vodních nanočástic. Leč bádání se vyvinulo v objev, který řekl i něco o vodě samotné. Proto článek prošel i přes přísný výběr, kdy redakce Science zamítne až devadesát procent zaslaných textů už na úrovni editorů. „Ale asi vědí – i když naše práce na první pohled může vypadat jako samoúčelná hádanka, kolik molekul tvoří krystal –, že hrozně moc lidí zajímalo, jak vypadají malé vodní částečky. Chemie na malých částečkách je hodně jiná než v kapalné vodě. Celá oblast nanochemie je založena na tom, že se malé částečky chovají jinak než velké,“ říká vědec z VSČHT.
Pro malou, ale typicky výzkumnou univerzitu je to v krátké době další výrazný úspěch – před časem měl tým profesora Tomáše Rumla článek v časopise Nature o retrovirech HIV, jak ČESKÁ POZICE v červnu reportovala.
Experimenty typu Max Planck
Slavíčkův článek by (zatím) nemohl vzniknout bez spolupráce se zmíněnými německými kolegy. Při pokusech v Göttingenu se nejprve vytvořily nanokrystalky všech různých velikostí, na něž se usadil atom sodíku. „Experiment byl tvořen tryskou vytvářející vodní nanočástice, komůrkou pro zachycení sodíkových atomů, infračerveným laserem ohřívajícím nanočástice, ultrafialovým laserem vyrážejícím elektrony a elektronovým a hmotnostním detektorem,“ uvádí vědecký tým v komuniké.
„Není to tak, že si takové přístroje někde koupíte. Přímo se postaví, jsou unikátní.“A Slavíček dodává, že jde o typické „experimenty typu Max Planck“, jak prý říká jeho kolegyně. „Nejsou to úplně levné pokusy, ale věci, které skutečně vědu posouvají vpřed. Není to tak, že si takové přístroje někde koupíte. Přímo se postaví, jsou unikátní,“ dodává. „Podobně náročné experimenty byly postaveny už i v Praze. Těší mne třeba, že mohu spolupracovat s Michalem Fárníkem z Heyrovského ústavu. Michal prošel laboratoří Udo Bucka, ale na rozdíl ode mne je schopen postavit i reálný experiment.“
A jak je na tom česká věda? Podle Slavíčka, jenž strávil více než dva roky na University of Illinois, se podmínky postupně zlepšují; během dvou dekád vidí pozitivní vývoj. V cizině nezůstal zkrátka proto, že se tam necítil doma. „Bylo to skvělé místo, v ten rok, co jsem tam byl, dostali v Illinois dvě Nobelovy ceny, ale cítíte, že s lidmi nesdílíte společnou kulturu; zatímco oni se v dětství dívali na Toma a Jerryho, já na Krtečka. Doma jsem tady,“ říká Slavíček.
Věda v živých diskusích a v kontaktu
Nachází tu i skvělé kolegy. Když si chce o něčem zajímavém ve vědě popovídat, zajde v Dejvicích za svým ex-školitelem Pavlem Jungwirthem z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, nebo o sto metrů dál za dalším kolegou, organickým syntetikem Filipem Teplým. Anebo dojede za již zmíněným doktorem Fárníkem v Heyrovského ústavu.
„Jsme příliš malá země, abychom v každém kraji měli prvotřídní univerzitu a excelentní vědu“„Pak to funguje. Věda potřebuje živý kontakt, přímou diskusi, ne psaní e-mailem. I náš článek v Science tak vznikl. Řekli jsme si s Thomasem Zeuchem i Udo Buckem, že se osobně sejdeme v Lipsku. Jinak by to nešlo,“ vysvětluje Slavíček, jemuž se příliš nelíbí tříštění vědeckých sil po celé České republice. „Jsme příliš malá země, abychom v každém kraji měli prvotřídní univerzitu a excelentní vědu. Bylo by asi rozumnější soustředit se na menší počet skvělých pracovišt,“ myslí si.
Sám se k chemii dostal přes chemické olympiády a letní odborná soustředění, kde se setkal s mnoha báječnými lidmi. A nyní svůj obor hodně popularizuje: „Není to tak, že bych chemii popularizoval z nějakého altruismu, ale mě to prostě baví. Baví mne o chemii přemýšlet. I když jsou to drobnosti, jako když přijdeme na maličkost, že 275 vod tvoří nejmenší krystal. Z pohledu celkové znalosti je to málo, ale přede mnou to nikdo nevěděl a já mám chvíli pocit, že vím něco, co nikdo jiný. Nestává se to zase tak často, ale už se mi to několikrát v životě přihodilo. Snad tu radost posouvám trochu dále ve škole či při setkáních se středoškoláky.“
Doc. RNDr. Petr Slavíček, Ph.D.
Působí na katedře fyzikální chemie VŠCHT a na Ústavu fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR. Vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy. Po působení v USA (University of Illinois) založil na VŠCHT vlastní pracovní skupinu. Zaměřuje se na teorii chemické struktury a reaktivity. Publikoval přes 70 prací v impaktovaných časopisech; tyto práce byly citovány více než 800krát a nacházejí odezvu v rozmanitých oblastech (od chemie atmosféry přes biofyziku až po radiační chemii). Kromě vědecké a pedagogické práce se věnuje popularizaci chemie a spolupořádá chemické olympiády.
