Vand som metal

Under normale forhold, rent vand er en næsten perfekt isolator. Vand udvikler kun metalliske egenskaber under ekstremt tryk, sådan som findes dybt inde i store planeter. Nu, et internationalt samarbejde har brugt en helt anden tilgang til at producere metallisk vand og dokumenteret faseovergangen på BESSY II. Undersøgelsen er nu offentliggjort i Natur .

Ethvert barn ved, at vand leder elektricitet - men det refererer til "normalt" hverdagsvand, der indeholder salte. Ren, destilleret vand, på den anden side, er en næsten perfekt isolator. Den består af H ₂ O-molekyler, der er løst forbundet med hinanden via hydrogenbindinger. Valenselektronerne forbliver bundet og er ikke mobile. For at skabe et ledningsbånd med frit bevægende elektroner, vand skulle sættes under tryk i en sådan grad, at de ydre elektroners orbitaler overlapper hinanden. Imidlertid, en beregning viser, at dette tryk kun er til stede i kernen af ​​store planeter som Jupiter.

Tilvejebringelse af elektroner

Et internationalt samarbejde mellem 15 forskere fra elleve forskningsinstitutioner har nu brugt en helt anden tilgang til at fremstille en vandig opløsning med metalliske egenskaber for første gang og dokumenterede denne faseovergang på BESSY II. At gøre dette, de eksperimenterede med alkalimetaller, som frigiver deres ydre elektron meget let.

Undgå eksplosion

Imidlertid, kemien mellem alkalimetaller og vand er kendt for at være eksplosiv. Natrium eller andre alkalimetaller begynder straks at brænde i vand. Men holdet fandt en måde at holde denne voldsomme kemi i skak:De smed ikke et stykke alkalimetal i vand, men de gjorde det omvendt:de lagde en lille smule vand på en dråbe alkalimetal, en natrium-kalium (Na-K) legering, som er flydende ved stuetemperatur.

Eksperimenter på BESSY II

På BESSY II, de satte eksperimentet op i SOL ³ PES højvakuum prøvekammer ved U49/2 beamline. Prøvekammeret indeholder en fin dyse, hvorfra den flydende Na-K-legering drypper. Sølvdråben vokser i cirka 10 sekunder, indtil den løsner sig fra dysen. Efterhånden som dråben vokser, noget vanddamp strømmer ind i prøvekammeret og danner en ekstrem tynd hud på overfladen af ​​dråben, kun få lag vandmolekyler. Dette får næsten øjeblikkeligt elektronerne såvel som metalkationerne til at opløses fra alkalilegeringen i vandet. De frigivne elektroner i vandet opfører sig som frie elektroner i et ledningsbånd.

Gylden vandhud

"Du kan se faseovergangen til metallisk vand med det blotte øje! Den sølvfarvede natrium-kaliumdråbe dækker sig selv med en gylden glød, hvilket er meget imponerende, " rapporterer Dr. Robert Seidel, der overvågede forsøgene på BESSY II. Det tynde lag guldfarvet metallisk vand forbliver synligt i et par sekunder. Dette gjorde det muligt for holdet ledet af prof. Pavel Jungwirth, Det Tjekkiske Videnskabsakademi, Prag, at bevise med spektroskopiske analyser på BESSY II og ved IOCB i Prag, at det faktisk er vand i metallisk tilstand.

Fingeraftryk af den metalliske fase

De to afgørende fingeraftryk af en metallisk fase er plasmonfrekvensen og ledningsbåndet. Grupperne var i stand til at bestemme disse to størrelser ved hjælp af optisk reflektionsspektroskopi og synkrotron røntgenfotoelektronspektroskopi:Mens plasmonfrekvensen af ​​de guldfarvede, metallisk 'vandhud' er omkring 2,7 eV (dvs. i det blå område af synligt lys), ledningsbåndet har en bredde på omkring 1,1 eV med en skarp Fermi-kant. "Vores undersøgelse viser ikke kun, at metallisk vand faktisk kan produceres på Jorden, men karakteriserer også de spektroskopiske egenskaber forbundet med dens smukke gyldne metalliske glans, siger Seidel.