Under normala förhållanden, rent vatten är en nästan perfekt isolator. Vatten utvecklar endast metalliska egenskaper under extremt tryck, sådana som finns djupt inne på stora planeter. Nu, ett internationellt samarbete har använt ett helt annat tillvägagångssätt för att producera metalliskt vatten och dokumenterat fasövergången vid BESSY II. Studien publiceras nu i Natur .

Alla barn vet att vatten leder elektricitet – men det här syftar på "normalt" vardagsvatten som innehåller salter. Ren, destillerat vatten, å andra sidan, är en nästan perfekt isolator. Den består av H ₂ O-molekyler som är löst kopplade till varandra via vätebindningar. Valenselektronerna förblir bundna och är inte rörliga. För att skapa ett ledningsband med fritt rörliga elektroner, vatten skulle behöva trycksättas i sådan utsträckning att orbitalerna för de yttre elektronerna överlappar varandra. Dock, en beräkning visar att detta tryck bara finns i kärnan av stora planeter som Jupiter.

Tillhandahåller elektroner

Ett internationellt samarbete med 15 forskare från elva forskningsinstitutioner har nu använt ett helt annat tillvägagångssätt för att ta fram en vattenlösning med metalliska egenskaper för första gången och dokumenterade denna fasövergång vid BESSY II. Att göra detta, de experimenterade med alkalimetaller, som släpper sin yttre elektron mycket lätt.

Undvik explosion

Dock, kemin mellan alkalimetaller och vatten är känd för att vara explosiv. Natrium eller andra alkalimetaller börjar genast brinna i vatten. Men teamet hittade ett sätt att hålla den här våldsamma kemin i schack:De kastade inte en bit alkalimetall i vatten, men de gjorde det tvärtom:de lade en liten bit vatten på en droppe alkalimetall, en natrium-kalium (Na-K) legering, som är flytande vid rumstemperatur.

Experimentera på BESSY II

På BESSY II, de satte upp experimentet i SOL ³ PES högvakuum provkammare vid U49/2 strållinjen. Provkammaren innehåller ett fint munstycke från vilket den flytande Na-K-legeringen droppar. Silverdroppen växer i cirka 10 sekunder tills den lossnar från munstycket. När droppen växer, viss vattenånga strömmar in i provkammaren och bildar en extremt tunn hud på ytan av droppen, endast ett fåtal lager vattenmolekyler. Detta får nästan omedelbart elektronerna såväl som metallkatjonerna att lösas upp från alkalilegeringen i vattnet. De frigjorda elektronerna i vattnet beter sig som fria elektroner i ett ledningsband.

Gyllene vattenhud

"Du kan se fasövergången till metalliskt vatten med blotta ögat! Den silverfärgade natrium-kaliumdroppen täcker sig själv med ett gyllene sken, vilket är mycket imponerande, " rapporterar Dr Robert Seidel, som övervakade experimenten vid BESSY II. Det tunna lagret av guldfärgat metalliskt vatten förblir synligt i några sekunder. Detta gjorde det möjligt för teamet ledd av Prof. Pavel Jungwirth, Tjeckiska vetenskapsakademin, Prag, att bevisa med spektroskopiska analyser vid BESSY II och vid IOCB i Prag att det verkligen är vatten i metalliskt tillstånd.

Fingeravtryck av metallfasen

De två avgörande fingeravtrycken för en metallisk fas är plasmonfrekvensen och ledningsbandet. Grupperna kunde bestämma dessa två kvantiteter med hjälp av optisk reflektionsspektroskopi och synkrotronröntgenfotoelektronspektroskopi:Medan plasmonfrekvensen hos de guldfärgade, metallisk "vattenhud" är cirka 2,7 eV (dvs i det blå området av synligt ljus), ledningsbandet har en bredd på cirka 1,1 eV med en skarp Fermi -kant. "Vår studie visar inte bara att metalliskt vatten verkligen kan produceras på jorden, men kännetecknar också de spektroskopiska egenskaper som är förknippade med dess vackra gyllene metalliska lyster, säger Seidel.