Hvordan dannes et metal?

Hvad vil det sige at være et metal? Hvordan dannes et metal? Disse virker som lærebogsspørgsmål med et enkelt svar:Metal er kendetegnet ved frie elektroner, der giver anledning til høj elektrisk ledningsevne. Men hvordan, Nemlig, er et metallisk ledningsbånd dannet af oprindeligt lokaliserede elektroner, og hvad er det tilsvarende mikroskopiske billede for det involverede materiale?

I samarbejde med videnskabsmænd fra Tjekkiet, USA og Tyskland, det er lykkedes forskergruppen for Pavel Jungwirth fra Institute of Organic Chemistry and Biochemistry ved det tjekkiske videnskabsakademi (IOCB Prag) at kortlægge på molekylært niveau overgangen mellem elektrolyt-til-metal i alkalimetal-flydende ammoniakopløsninger ved hjælp af en kombination af fotoelektronspektroskopi (PES) og elektroniske strukturberegninger. Resultaterne af deres forskning blev for nylig offentliggjort i Videnskab .

Alkalimetaller opløst i flydende ammoniak repræsenterer arketypiske systemer til at udforske overgangen fra blå elektrolytter ved lave koncentrationer til bronze- eller guldfarvede metalliske opløsninger (med ledningsevne sammenlignelig med en kobbertråd) med højere koncentrationer af overskydende elektroner. På samme tid, PES repræsenterer et ideelt værktøj til at etablere den elektroniske struktur, der er relevant for denne overgang. Som en ultrahøj vakuumteknik, PES blev længe anset for at være uforenelig med flygtige væsker, indtil teknikken med flydende mikrojets blev udviklet til vand og vandige opløsninger. Imidlertid, det var først i 2019, at gruppen af ​​Pavel Jungwirth i samarbejde med kolleger ved University of Southern California og ved BESSY II -synkrotronen i Berlin udførte de første vellykkede PES -målinger på en nedkølet polar væske - ren flydende ammoniak.

"Dette er, hvad der sker, når man giver en teorigruppe lidt laboratorieplads at lege, " siger Pavel Jungwirth om beslutningen fra instituttets direktør om at give ham et lille laboratorium.

Denne præstation åbnede døren til PES-undersøgelser af alkalimetal-flydende ammoniaksystemer (som rapporteret i denne artikel i Videnskab ), som kortlægger elektrolyt-til-metal-overgangen for lithium, natrium og kalium opløst i flydende ammoniak ved hjælp af PES ved hjælp af blød røntgensynkrotronstråling. På denne måde forskere fangede for første gang fotoelektronsignalet fra overskydende elektroner i flydende ammoniak som en top på omkring 2 eV -bindingsenergi. Denne top udvider derefter asymmetrisk mod højere bindingsenergier ved forøgelse af alkalimetalkoncentrationen, gradvist at danne et ledningsbånd med en skarp Fermi-kant ledsaget af plasmontoppe, som begge er fingeraftryk af den begyndende metalliske adfærd.

Sammen med state-of-the-art elektroniske strukturberegninger, disse målinger giver et detaljeret molekylært billede af overgangen fra et ikke-metal til et metal, giver forskere mulighed for bedre at forstå begyndelsen af ​​metallisk adfærd karakteriseret ved egenskaber som høj elektrisk ledningsevne.

"Forhåbentlig, det nuværende arbejde med metallisk ammoniak vil åbne vejen til at realisere vores mest 'eksplosive' idé:fremstilling af metallisk vand ved meget omhyggeligt at blande det med alkalimetaller, " slutter Pavel Jungwirth.