Ученые превратили чистую воду в металл
Чистая вода — почти идеальный изолятор.
Да, вода, встречающаяся в природе, проводит электричество, но это из-за содержащихся в ней примесей, которые растворяются в свободных ионах, позволяющих протекать электрическому току. Чистая вода становится «металлической» — электронно-проводящей — только при чрезвычайно высоких давлениях, за пределами наших нынешних возможностей для производства в лаборатории.
Но, как впервые продемонстрировали исследователи, не только высокое давление может вызвать эту металличность в чистой воде.
Приводя чистую воду в контакт с разделяющим электроны щелочным металлом — в данном случае сплавом натрия и калия — можно добавлять свободно движущиеся заряженные частицы, превращая воду в металлическую.
Результирующая проводимость сохраняется всего несколько секунд, но это значительный шаг на пути к пониманию этой фазы воды путем непосредственного ее изучения.
«Невооруженным глазом можно увидеть фазовый переход в металлическую воду!» сказал физик Роберт Зайдель из Германии. «Серебристая капля натрия-калия покрывается золотым сиянием, что очень впечатляет».
При достаточно высоком давлении токопроводящим может стать практически любой материал. Идея состоит в том, что если вы сожмете атомы достаточно сильно, орбитали внешних электронов начнут перекрываться, позволяя им перемещаться. Для воды это давление составляет около 48 мегабар – в 48 миллионов раз превышающее атмосферное давление Земли на уровне моря.
Хотя в лабораторных условиях было создано давление, превышающее это, такие эксперименты были бы непригодны для изучения металлической воды. Поэтому группа исследователей под руководством химика-органика Павла Юнгвирта из Чешской академии обратилась к щелочным металлам.
Эти вещества очень легко высвобождают свои внешние электроны, что означает, что они могут вызывать свойства обмена электронами чистой воды под высоким давлением без высокого давления. Есть только одна проблема: щелочные металлы очень реактивны с водой, иногда даже до точки взрыва (есть действительно крутое видео ниже). Бросьте металл в воду, и вы получите взрыв.
Исследовательская группа нашла изящный способ решить эту проблему. Что, если вместо того, чтобы добавлять металл в воду, к металлу была добавлена вода?
В вакуумной камере команда начала с того, что выдавила из сопла небольшую каплю натрий-калиевого сплава, который является жидким при комнатной температуре, и очень осторожно добавила тонкую пленку чистой воды с помощью осаждения из паровой фазы.
При контакте электроны и катионы металлов (положительно заряженные ионы) перетекали в воду из сплава.
Это не только придало воде золотистый блеск, но и сделало ее проводящей — так же, как мы должны видеть металлическую чистую воду под высоким давлением.
Это было подтверждено с помощью спектроскопии оптического отражения и синхротронной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Два свойства — золотой блеск и проводящая полоса — занимали два разных частотных диапазона, что позволяло их четко идентифицировать.
Помимо лучшего понимания этого фазового перехода здесь, на Земле, исследование может также позволить внимательно изучить условия экстремально высокого давления внутри больших планет.
На ледяных планетах Солнечной системы, например, Нептуне и Уране, считается, что жидкий металлический водород вращается. И только на Юпитере давление считается достаточно высоким, чтобы металлизировать чистую воду.
«Наше исследование не только показывает, что металлическая вода действительно может быть произведена на Земле, но также характеризует спектроскопические свойства, связанные с ее красивым золотым металлическим блеском», — сказал Зайдель.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
