Cosa significa essere un metallo? Come si forma un metallo? Sembrano domande da manuale con una risposta semplice:il metallo è caratterizzato da elettroni liberi che danno origine a un'elevata conduttività elettrica. Ma come, Esattamente, è una banda di conduzione metallica formata da elettroni originariamente localizzati, e qual è l'immagine microscopica corrispondente al materiale coinvolto?

In collaborazione con scienziati della Repubblica ceca, gli Stati Uniti e la Germania, il gruppo di ricerca di Pavel Jungwirth dell'Istituto di chimica organica e biochimica dell'Accademia delle scienze ceca (IOCB Praga) è riuscito a mappare a livello molecolare la transizione elettrolita-metallo in soluzioni di ammoniaca liquida-metallo alcalino utilizzando una combinazione di spettroscopia fotoelettronica (PES) e calcoli di strutture elettroniche. I risultati della loro ricerca sono stati recentemente pubblicati in Scienza .

I metalli alcalini disciolti in ammoniaca liquida rappresentano sistemi archetipici per esplorare la transizione da elettroliti blu a basse concentrazioni a soluzioni metalliche color bronzo o oro (con conduttività paragonabile a un filo di rame) con concentrazioni più elevate di elettroni in eccesso. Allo stesso tempo, PES rappresenta uno strumento ideale per stabilire la struttura elettronica pertinente a questa transizione. Come tecnica del vuoto ultra alto, Il PES è stato a lungo ritenuto incompatibile con i liquidi volatili fino a quando non è stata sviluppata la tecnica dei microgetti liquidi per acqua e soluzioni acquose. Però, è stato solo nel 2019 che il gruppo di Pavel Jungwirth, in collaborazione con i colleghi della University of Southern California e del sincrotrone BESSY II di Berlino, ha eseguito con successo le prime misurazioni PES su un liquido polare refrigerato—pura ammoniaca liquida.

"Questo è quello che succede quando dai a un gruppo di teoria un po' di spazio in laboratorio per giocare, " dice Pavel Jungwirth della decisione del direttore dell'Istituto di concedergli un piccolo laboratorio.

Questo risultato ha aperto la porta a studi PES di sistemi di metalli alcalini-ammoniaca liquida (come riportato nel presente documento in Scienza ), che mappano la transizione elettrolita-metallo per il litio, sodio e potassio disciolti in ammoniaca liquida mediante PES mediante radiazione di sincrotrone a raggi X molli. In questo modo, i ricercatori hanno catturato per la prima volta il segnale fotoelettronico degli elettroni in eccesso nell'ammoniaca liquida come un picco a circa 2 eV di energia di legame. Questo picco si allarga quindi in modo asimmetrico verso energie di legame più elevate all'aumentare della concentrazione di metalli alcalini, formando gradualmente una banda di conduzione con un tagliente bordo di Fermi accompagnata da picchi plasmonici, entrambi i quali sono impronte del nascente comportamento metallico.

Insieme a calcoli strutturali elettronici all'avanguardia, queste misurazioni forniscono un quadro molecolare dettagliato della transizione da un non metallo a un metallo, consentendo ai ricercatori di comprendere meglio l'insorgenza del comportamento metallico caratterizzato da proprietà come l'elevata conduttività elettrica.

"Auspicabilmente, il presente lavoro sull'ammoniaca metallica aprirà la strada alla realizzazione della nostra idea più "esplosiva":la preparazione dell'acqua metallica mescolandola molto accuratamente con i metalli alcalini, " conclude Pavel Jungwirth.