“点水成金”:科学家将纯水转化为金属

事实上,纯水几乎是完美的绝缘体(www.zhituo.net)。

我们都知道,自然界中的水可以导电,但那是因为其中的杂质,这些杂质溶解成自由离子,允许电流流动。而纯净的水,只有在极高的压力下才会变成“金属” —— 电子导电,但这超出了我们目前在实验室中产生的能力。

但是,一组科学研究人员首次证明了,在纯水中引起这种金属性的,不仅仅是高压。

通过将纯水与共享电子的碱金属(在这种情况下是钠和钾的合金)接触,可以添加自由移动的带电粒子,将水变成金属。由此产生的电导率虽然仅持续了几秒钟,但这是通过直接研究来了解水的这一阶段迈出的重要一步。

德国亥姆霍兹研究所的物理学家罗伯特·塞德尔说:“你可以用肉眼看到金属水的相变!银色的钠钾液滴覆盖着金色的光芒,非常令人印象深刻。”

上图:该实验的一段视频显示,水滴表面的水在几秒钟内变成了闪亮的金属。

在足够高的压力下,几乎任何材料理论上都可以导电。这个想法是,如果你把原子挤得足够紧,外层电子的轨道就会开始重叠,让它们四处移动。对于水来说,这种压力约为 48 兆巴 ,约为(略低于)地球海平面大气压的 4800 万倍。

虽然,在实验室中已经产生了超过这个值的压力,但这样的实验并不适合研究金属水。因此,由捷克科学院的有机化学家帕维尔·荣格沃斯(Pavel Jungwirth)领导的一个研究小组转向了碱金属。

这些碱金属物质很容易释放它们的外层电子,这意味着它们可以在没有高压的情况下,诱导出高压纯水的电子共享特性。但也存在这一个突出的问题:碱金属与液态水会发生强烈的反应,甚至到了发生爆炸性的程度。

上图:金属水形成的一段时间,首先从钠钾合金的液滴中形成,然后随着电子和金属阳离子移动到表面的水中而变成金色。

幸运的是,研究小组找到了一个非常巧妙的方法来解决这个问题。如果不是把金属加到水里,而是把水加到金属里会怎么样呢?

在真空室中,研究小组首先从喷嘴挤出一小块钠钾合金,这种合金在室温下是液态的,然后非常小心地使用气相沉积的方法添加了一层薄薄的纯水。接触时,电子和金属阳离子(带正电荷的离子)会从合金流入水中。

这不仅使水散发出金色的光芒,还使水具有了导电性 —— 就像我们在高压下看到的金属纯水一样。

上图:钠和钾液滴中的电子扩散到一层薄薄的水上,将水变成金色,并赋予其金属性质。

研究人员使用光学反射光谱和同步加速器 X 射线光电子光谱证实了这一点。 这两种特性(金色光泽和导电带)占据了两个不同的频率范围,这使得它们都能被清楚地识别出来。

除了让我们能更好地了解地球上的这种相变之外,这项研究还可以让我们仔细研究大型行星内部的极端高压条件。

例如,在太阳系的冰行星海王星和天王星中,液态金属氢被认为是在旋转的。 而且只有木星的压力被认为足够的高,可以使纯水金属化。

能够复制太阳系行星巨人内部条件的前景,确实令人兴奋!

科学家表示:“我们的研究不仅表明,金属水确实可以在地球上产生,而且还表征了与其美丽的金色金属光泽相关的光谱特性。”

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