Der goldene Glanz auf dem metallisierten Wasser. (Philip E. Mason) Reines Wasser ist ein nahezu perfekter Isolator.
Ja, in der Natur vorkommendes Wasser leitet Elektrizität – aber das liegt an den darin enthaltenen Verunreinigungen, die sich in freie Ionen auflösen, die den Fluss eines elektrischen Stroms ermöglichen. Reines Wasser wird erst bei extrem hohen Drücken „metallisch“ – also elektronisch leitfähig –, die über unsere derzeitigen Möglichkeiten zur Herstellung in einem Labor hinausgehen.
Doch wie Forscher nun erstmals nachgewiesen haben, sind es nicht nur hohe Drücke, die diese Metallizität in reinem Wasser hervorrufen können.
Durch den Kontakt von reinem Wasser mit einem elektronenverteilenden Alkalimetall – in diesem Fall einer Legierung aus Natrium und Kalium – können frei bewegliche geladene Teilchen hinzugefügt werden, die das Wasser metallisch machen.
Die resultierende Leitfähigkeit hält nur wenige Sekunden an, ist aber ein wichtiger Schritt, um diese Phase des Wassers durch direkte Untersuchung zu verstehen.
„Mit bloßem Auge kann man den Phasenübergang zu metallischem Wasser erkennen!“ sagte der Physiker Robert Seidel des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie in Deutschland. „Der silbrige Natrium-Kalium-Tropfen überzieht sich mit einem goldenen Schimmer, der sehr beeindruckend ist.“
Unter ausreichend hohen Drücken könnte theoretisch so ziemlich jedes Material leitend werden. Die Idee ist, dass, wenn man die Atome fest genug zusammendrückt, die Orbitale der äußeren Elektronen beginnen würden, sich zu überlappen, sodass sie sich bewegen könnten. Für Wasser beträgt dieser Druck etwa 48 Megabar – knapp 48 Millionen Mal so viel wie der atmosphärische Druck der Erde auf Meereshöhe.
Während es zu höheren Belastungen gekommen ist in einer Laborumgebung erzeugt , wären solche Experimente für die Untersuchung von metallischem Wasser ungeeignet. Deshalb wandte sich ein Forscherteam unter der Leitung des organischen Chemikers Pavel Jungwirth von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Tschechien den Alkalimetallen zu.
Diese Substanzen geben ihre äußeren Elektronen sehr leicht ab, was bedeutet, dass sie die Elektronenaustauscheigenschaften von unter hohem Druck stehendem reinem Wasser ohne die hohen Drücke induzieren könnten. Es gibt nur ein Problem: Alkalimetalle reagieren stark mit flüssigem Wasser, manchmal sogar bis zur Explosionsgefahr (es gibt ein Wirklich cooles Video unten ). Lassen Sie das Metall ins Wasser fallen und Sie werden einen Kaboom bekommen.
Das Forschungsteam hat einen sehr raffinierten Weg gefunden, dieses Problem zu lösen. Was wäre, wenn das Metall nicht dem Wasser, sondern dem Metall zugesetzt würde?
In einer Vakuumkammer extrudierte das Team zunächst aus einer Düse einen kleinen Tropfen einer bei Raumtemperatur flüssigen Natrium-Kalium-Legierung und fügte durch Aufdampfen sehr vorsichtig einen dünnen Film aus reinem Wasser hinzu.
Bei Kontakt flossen die Elektronen und Metallkationen (positiv geladene Ionen) aus der Legierung in das Wasser.
Dies verlieh dem Wasser nicht nur einen goldenen Glanz, sondern machte es auch leitfähig – genau wie wir es bei metallischem, reinem Wasser unter hohem Druck sehen sollten.
Dies wurde mittels optischer Reflexionsspektroskopie und Synchrotron-Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestätigt. Die beiden Eigenschaften – der goldene Glanz und das leitfähige Band – lagen in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen, sodass sie beide eindeutig identifiziert werden konnten.
Die Forschung könnte uns nicht nur ein besseres Verständnis dieses Phasenübergangs hier auf der Erde ermöglichen, sondern auch eine genaue Untersuchung der extremen Hochdruckbedingungen im Inneren großer Planeten ermöglichen.
Auf den Eisplaneten des Sonnensystems, Neptun und Uranus, wird beispielsweise angenommen, dass flüssiger metallischer Wasserstoff wirbelt. Und das ist nur so Jupiter Es wird angenommen, dass die Drücke hoch genug sind, um reines Wasser zu metallisieren.
Die Aussicht, die Bedingungen im Planetenkoloss unseres Sonnensystems nachbilden zu können, ist in der Tat aufregend.
„Unsere Studie zeigt nicht nur, dass metallisches Wasser tatsächlich auf der Erde produziert werden kann, sondern charakterisiert auch die spektroskopischen Eigenschaften, die mit seinem wunderschönen goldenen metallischen Glanz verbunden sind.“ Sagte Seidel .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .