Společně s nekovy a polokovy tvoří kovy tři nejzásadnější skupiny chemických prvků. Kovy patří mezi hojně průmyslově využívané, je to díky jejich ojedinělým fyzikálním vlastnostem a také proto, že se dají snadno zpracovávat. Jak ale vznikají?

Obecné informace o tvorbě kovu tkví v tom, že je založena na redukci oxidů.

Mezinárodní tým složený z vědců z Česka, Spojených států amerických a Německa nyní dokázal detailně zmapovat proces, při němž vzniká kov, jedná se o naprosto průlomový objev. Nová studie publikovaná v odborném časopise Science popisuje přechod k jakémusi kovovému chování na molekulární úrovni.

Je všeobecně známé, že jsou pro kov charakteristické volné elektrony, ty způsobují velkou elektrickou vodivost.

Vědecká skupina obsahující Čechy

Vědcům ze skupiny kolem fyzikálního chemika a vysokoškolského pedagoga prof. Mgr.

Pavla Jungwirtha, DrSc. z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR a RNDr. Ondřeje Maršálka, Ph.D. z Matematicko-fyzikální fakulty, se podařilo ukázat, jak se ze základních vázaných elektronů stává kovový vodivostní pás.

K prezentovanému objevu vedla několikaletá a poměrně náročná cesta. Zcela zásadní pro vědce bylo využití kapalného amoniaku.

„Představte si třeba drát, kde jsou elektrony, které tím drátem tečou. My teď máme krásný, modelový systém, kde se to na začátku chová jako izolátor, žádné elektrony tam netečou.

Přidáme alkalický kov a najednou ty elektrony propojí a vytvoří to, čemu říkáme vodivostní pás. Vznikne nám kovové chování.

Ten výzkum začal takovým „hraním si“ – házením sodíku do vody, což zná asi každý z hodin chemie jako experiment, kdy se ukáže, jak vypadá výbuch. Trik, který jsme tehdy udělali, je, že místo vody jsme tam dali kapalný amoniak, kdy k výbuchu nedochází.

A člověk tak může přidávat více a více alkalického kovu,“ řekl k výzkumu Pavel Jungwirth.

Pomohla unikátní metoda

Při práci využili výzkumníci metodu fotoelektronové spektroskopie. Technika, která využívá ultravysokého vakua, se ale přitom z dlouhodobého hlediska považovala za neslučitelnou se zkoumáním těkavých kapalin, jako je například i kapalný amoniak.

„Na synchrotronu, třeba v Berlíně, kde mají velice silný zdroj rentgenového záření, můžeme materiál ozářit a studovat elektrony v něm,“ řekl Jungwirth.

První fotoelektronová měření čistého kapalného amoniaku se podařila teprve loni právě Jungwirthově týmu a jeho kolegům z jihokalifornské univerzity na synchrotronu BESSY II v Berlíně. Uspěli díky technice mikronástřiků.

Při současném výzkumu pak vědci využili také nejmodernější výpočetní postupy pro stanovení elektronových struktur, a získali tak detailní molekulový popis přechodu nekovové látky v kovovou. „Toto je taková přípravná fáze.

Snažíme se vrátit zpátky k vodě, ve které alkalické kovy vybuchují a udělat nějaký ‚trik‘, abychom mohli připravit kovovou vodu. Tedy vodu, která bude mít vlastnost kovu,“ dodal Jungwirth.

Nejmodernější výpočetní postupy

Pro stanovení elektronových struktur byly v rámci studie také využity ty nejmodernější výpočetní postupy, za jejichž návrhem a realizací stojí tým dr. Ondřeje Maršálka.

„Společně se dvěma doktorandy jsme numericky počítali, jak se během extrémně krátkých časových úseků systém vyvíjí na molekulární úrovni a jaké zaujímá za dané teploty struktury.

Šlo o rozsáhlé výpočty pomocí metody ab initio molekulární dynamiky,“ dodává Maršálek.