Nella camera dei campioni, la lega NaK gocciola da un ugello. Man mano che la goccia cresce, il vapore acqueo fluisce nella camera del campione e forma una sottile pellicola sulla superficie della goccia. Attestazione:HZB
In condizioni normali, l'acqua pura è un isolante quasi perfetto. L'acqua sviluppa proprietà metalliche solo sotto pressione estrema, come esiste nel profondo dei grandi pianeti. Ora, una collaborazione internazionale ha utilizzato un approccio completamente diverso per produrre acqua metallica e ha documentato la transizione di fase a BESSY II. Lo studio è pubblicato ora in Natura .
Ogni bambino sa che l'acqua conduce elettricità, ma questo si riferisce all'acqua "normale" di tutti i giorni che contiene sali. Puro, acqua distillata, d'altra parte, è un isolante quasi perfetto. È costituito da H 2 O molecole che sono collegate tra loro in modo lasco tramite legami a idrogeno. Gli elettroni di valenza rimangono legati e non sono mobili. Per creare una banda di conduzione con elettroni in movimento libero, l'acqua dovrebbe essere pressurizzata in misura tale che gli orbitali degli elettroni esterni si sovrappongano. Però, un calcolo mostra che questa pressione è presente solo nel nucleo di grandi pianeti come Giove.
Fornire elettroni
Una collaborazione internazionale di 15 scienziati provenienti da undici istituti di ricerca ha ora utilizzato un approccio completamente diverso per produrre per la prima volta una soluzione acquosa con proprietà metalliche e ha documentato questa transizione di fase al BESSY II. Per fare questo, hanno sperimentato con metalli alcalini, che rilasciano molto facilmente il loro elettrone esterno.
Evitare l'esplosione
Però, la chimica tra i metalli alcalini e l'acqua è nota per essere esplosiva. Il sodio o altri metalli alcalini iniziano immediatamente a bruciare nell'acqua. Ma il team ha trovato un modo per tenere sotto controllo questa violenta chimica:non hanno gettato un pezzo di metallo alcalino nell'acqua, ma hanno fatto il contrario:hanno messo un po' d'acqua su una goccia di metallo alcalino, una lega sodio-potassio (Na-K), che è liquido a temperatura ambiente.
La prima immagine mostra una goccia pura di lega sodio-potassio; nelle prossime immagini, vediamo la goccia esposta all'azione del vapore acqueo a 10-4 mbar. Sulla goccia si forma uno strato d'acqua, in cui gli elettroni liberati dal metallo si dissolvono, dandogli una lucentezza metallica dorata. Credito:Phil Mason / IOCB Praga
Esperimento a BESSY II
A BESSY II, hanno allestito l'esperimento nel SOL 3 Camera per campioni in alto vuoto PES sulla linea di luce U49/2. La camera del campione contiene un ugello sottile da cui gocciola la lega Na-K liquida. La goccia d'argento cresce per circa 10 secondi fino a quando non si stacca dall'ugello. Man mano che la goccia cresce, una parte del vapore acqueo fluisce nella camera del campione e forma una pelle estremamente sottile sulla superficie della gocciolina, solo pochi strati di molecole d'acqua. Questo fa sì che quasi immediatamente gli elettroni e i cationi metallici si dissolvano dalla lega alcalina nell'acqua. Gli elettroni rilasciati nell'acqua si comportano come elettroni liberi in una banda di conduzione.
Pelle d'acqua dorata
"Puoi vedere la transizione di fase all'acqua metallica ad occhio nudo! La gocciolina argentea di sodio-potassio si copre di un bagliore dorato, che è molto impressionante, " riferisce il dottor Robert Seidel, che ha supervisionato gli esperimenti a BESSY II. Il sottile strato di acqua metallica color oro rimane visibile per alcuni secondi. Ciò ha permesso al team guidato dal Prof. Pavel Jungwirth, Accademia ceca delle scienze, Praga, dimostrare con analisi spettroscopiche al BESSY II e all'IOCB di Praga che si tratta effettivamente di acqua allo stato metallico.
Impronte della fase metallica
Le due impronte decisive di una fase metallica sono la frequenza plasmonica e la banda di conduzione. I gruppi sono stati in grado di determinare queste due quantità utilizzando la spettroscopia a riflessione ottica e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X di sincrotrone:mentre la frequenza del plasmone del colore dorato, la "pelle d'acqua" metallica è di circa 2,7 eV (cioè nella gamma blu della luce visibile), la banda di conduzione ha un'ampiezza di circa 1,1 eV con un tagliente bordo di Fermi. "Il nostro studio non solo mostra che l'acqua metallica può effettivamente essere prodotta sulla Terra, ma caratterizza anche le proprietà spettroscopiche associate alla sua bella lucentezza metallica dorata, "dice Seidel.
