James Dewar: Otec termosky a bezdýmného střelného prachu

Fáze hmoty při různých tlacích a teplotách a přechody mezi nimi vědce neustále fascinují a jsou předmětem mnoha současných výzkumů. Na samém počátku oboru, kterému se dnes říká fyzika nízkých teplot, stál na konci 19. století skotský chemik a fyzik Sir James Dewar. Všestranně nadaný vědec zasvětil svůj život zkapalňování plynů a vyvinul technologii, s jejíž pomocí bylo poprvé zkapalněno plynné helium. Dnes všemi používaná termoska je kopií nádoby na uskladňování zkapalněných plynů, kterou Dewar vytvořil a používal při svých pokusech.

James Dewar se narodil 20. září 1842 jako nejmladší ze šesti synů skotského výrobce vína Thomase Dewara. Mladý James se velmi zajímal o fyziku a chemii a i přesto, že měl pět sourozenců a v 15 letech osiřel, podařilo se mu získat univerzitní vzdělání. Nejprve navštěvoval Dollar Academy a poté studoval na univerzitě v Edinburghu, kde byl jeho mentorem chemik Lyon Playfair. Už na samém počátku vědecké kariéry se Dewarovi podařilo učinit několik zásadních vědeckých objevů. V roce 1867 chemicky popsal strukturu benzenu a publikoval i další vědecké práce zabývající se širokým spektrem fyzikálních a chemických témat. Zajímal se o fotometrii, snažil se změřit teplotu Slunce a zároveň z pohledu chemie popsal elektrický oblouk. V roce 1875 se v pouhých 33 letech stal profesorem experimentální filozofie na univerzitě v Cambridge a o dva roky později byl zvolen členem britské Royal Institution.

MATFYZ UK: James Dewar Otec termosky a bezdýmného střelného prachu

Až v Cambridge se James Dewar více vyprofiloval a zaměřil se hlavně na studium plynů. To bylo klíčové nejen pro jeho kariéru, ale i pro obor fyziky nízkých teplot, u jehož zrodu stál spolu s dalšími kolegy. James Dewar zahájil v roce 1878 spektroskopická měření plynů, během kterých ochlazoval měřené vzorky na velmi nízké teploty. Prvotní inspirací mu byl legendární fyzik Michael Faraday. Ten do roku 1845 ve své laboratoři zkondenzoval většinu známých plynů. Chybělo jen šest prvků a sloučenin – kyslík, vodík, dusík, oxid uhelnatý, metan a oxid dusný, o kterých se Faraday domníval, že jsou tzv. trvalými plyny a jejich kondenzace není možná. Jenže v roce 1877 se francouzským fyzikům Louisi Cailletetovi a Raoulu Pictetovi podařilo nezávisle na sobě vytvořit kapalný dusík a uhlík, a to díky jejich silnému ochlazení na teplotu pouhých 80 kelvinů.

Zprávy o kondenzaci prvních z trvalých plynů zastihly Jamese Dewara v době, kdy se již sám ochlazováním plynů zabýval. Zaujat tématem nízkých teplot a povzbuzen prvními úspěchy francouzských kolegů postavil ve své laboratoři aparaturu podobnou té, kterou používal Cailletet, a začal s pokusy. Jeho první úspěchy se ale dostavily až po dlouhých šesti letech. Dne 5. června 1885 se mu podařilo zkapalnit vzduch a do roku 1891 dokázal ve své laboratoři vyrábět kapalný kyslík ve velkém množství. Problémem už nebylo, jak plyny zkapalnit, ale jak je při extrémně nízkých teplotách udržet v kapalném stavu po delší dobu, aby je bylo možné zkoumat. Zkapalněné plyny rychle absorbovaly teplo z okolního vzduchu a přecházely zpět do plynného skupenství. Po mnohých pokusech s krabicemi naplněnými korkem nebo slámou přišel Dewar s revoluční lahví pro skladování kapalných plynů, dnes známou jako Dewarova nádoba.

MATFYZ UK: James Dewar v Royal Institution během přednášky o tekutém vodíku v roce 1904 (obrázek: Henry Jamyn Brooks, Public domain, via Wikimedia Commons)

Dewarova nádoba jsou vlastně dvě nádoby v jedné. První skleněná lahev je umístěna uvnitř druhé a prostor mezi nimi je vyplněn vakuem. Tenká vrstva vakua zamezuje tepelné výměně mezi skladovanou kapalinou a okolním prostředím, a díky tomu je možné plyny skladovat v jejich kapalném skupenství. Tento technologický průlom zásadně proměnil výzkum v oblasti fyziky nízkých teplot a otevřel cestu dalšímu studiu zkapalněných plynů. Dewar netušil, že jeho vynález najde uplatnění i v životech běžných lidí, a revoluční nádobu si nenechal patentovat. Z konceptu dvou skleněných lahví oddělených vakuem vychází dnes všem dobře známá termoska. Výrobek je pojmenovaný podle německé společnosti Thermos GmbH, která tepelně izolovaný nápojový kontejner vhodný k uchovávání jak horkých, tak studených tekutin uvedla jako první na trh. Sklářská firma si design vycházející z původního návrhu nechala patentovat, a i když se Dewar o autorství termosky soudil, spor prohrál a práva na svůj vynález nikdy nezískal.

Dewar sice neuspěl v komerční sféře, jeho výzkum ale prosperoval. V roce 1898 zkondenzoval za použití velké regenerační chladicí jednotky vodík a své metody neustále zlepšoval. Podařilo se mu dosáhnout teploty pouhých 13 K, a dosáhl tak bodu, kdy byl schopný zkondenzovat všechny plyny. Zbývalo pouze hélium, které kapalní při čtyřech stupních kelvina. Dewar věnoval zkapalnění helia veškeré své úsilí, ale nikdy neuspěl. Jako první nakonec helium zkapalnil nizozemský fyzik Heike Onnes v roce 1908. Onnes využil experimentálních metod vyvinutých Jamesem Dewarem a za svou práci obdržel v roce 1913 Nobelovu cenu za fyziku. Sám Dewar Nobelovu cenu nikdy nezískal, i když byl několikrát nominován. Dostalo se mu ale mnoha jiných ocenění a poct, včetně prestižních medailí od vědeckých společností. V roce 1904 byl povýšen na rytíře.

Mezi své úspěchy si James Dewar může připsat i vynález bezdýmného střelného prachu, takzvaného korditu, který vyvinul spolu s kolegou Frederick Abelem v 80. letech 19. století. Vypuknutí první světové války přerušilo Dewarův výzkumný program zaměřený na vlastnosti prvků při nízkých teplotách. Přišel o několik klíčových spolupracovníků a tým se mu již nikdy znovu nepodařilo sestavit. Po válce se věnoval zejména studiu povrchového napětí v mýdlových bublinách a měření infračerveného záření v atmosféře. Celoživotní experimentátor Dewar nikdy neodešel do důchodu a na vědeckém výzkumu se aktivně podílel až do své smrti. Autor designu dnešních termosek a průkopník fyziky nízkých teplot zemřel v Londýně 27. března 1923 ve věku úctyhodných 80 let.