Vad betyder det att vara metall? Hur bildas en metall? Dessa verkar som läroboksfrågor med ett enkelt svar:Metall kännetecknas av fria elektroner som ger upphov till hög elektrisk konduktivitet. Men hur, exakt, är ett metalliskt ledningsband bildat av ursprungligen lokaliserade elektroner, och vad är motsvarande mikroskopisk bild för det inblandade materialet?

I samarbete mellan forskare från Tjeckien, USA och Tyskland, forskargruppen för Pavel Jungwirth från Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the Czech Academy of Sciences (IOCB Prague) har lyckats kartlägga på molekylär nivå elektrolyt-till-metall-övergången i alkalimetall-flytande ammoniaklösningar med hjälp av en kombination av fotoelektronspektroskopi (PES) och elektroniska strukturberäkningar. Resultaten av deras forskning publicerades nyligen i Vetenskap .

Alkalimetaller lösta i flytande ammoniak representerar arketypiska system för att undersöka övergången från blå elektrolyter vid låga koncentrationer till brons- eller guldfärgade metalliska lösningar (med konduktivitet jämförbar med en koppartråd) med högre koncentrationer av överskott av elektroner. På samma gång, PES representerar ett idealiskt verktyg för att skapa den elektroniska struktur som är relevant för denna övergång. Som en ultrahög vakuumteknik, PES antogs länge vara oförenligt med flyktiga vätskor tills tekniken för flytande mikrostrålar utvecklades för vatten och vattenhaltiga lösningar. Dock, det var först 2019 som gruppen Pavel Jungwirth i samarbete med kollegor vid University of Southern California och vid BESSY II -synkrotronen i Berlin utförde de första framgångsrika PES -mätningarna på en kyld polär vätska - ren flytande ammoniak.

"Det här är vad som händer när du ger en teorigrupp lite labbet utrymme att spela, "säger Pavel Jungwirth om beslutet från institutets direktör att bevilja honom ett litet laboratorium.

Denna prestation öppnade dörren till PES -studier av alkalimetall - flytande ammoniaksystem (som rapporterats i detta dokument i Vetenskap ), som kartlägger elektrolyt-till-metall-övergången för litium, natrium och kalium löst i flytande ammoniak med hjälp av PES med mjuk röntgensynkrotronstrålning. På det här sättet, forskare fångade för första gången fotoelektronsignalen från överskott av elektroner i flytande ammoniak som en topp på cirka 2 eV -bindande energi. Denna topp breddas sedan asymmetriskt mot högre bindningsenergier när alkalimetallkoncentrationen ökar, gradvis bilda ett ledningsband med en skarp Fermi -kant åtföljd av plasmontoppar, båda är fingeravtryck av det begynnande metalliska beteendet.

Tillsammans med toppmoderna elektroniska strukturberäkningar, dessa mätningar ger en detaljerad molekylär bild av övergången från en icke-metall till en metall, tillåter forskare att bättre förstå uppkomsten av metalliskt beteende som kännetecknas av egenskaper som hög elektrisk konduktivitet.

"Förhoppningsvis, det nuvarande arbetet med metallisk ammoniak kommer att öppna vägen för att förverkliga vår mest "explosiva" idé:beredning av metalliskt vatten genom att noggrant blanda det med alkalimetaller, "avslutar Pavel Jungwirth.