O que significa ser um metal? Como um metal é formado? Essas perguntas parecem manuais com uma resposta simples:O metal é caracterizado por elétrons livres que dão origem a uma alta condutividade elétrica. Mas como, exatamente, é uma banda de condução metálica formada a partir de elétrons originalmente localizados, e qual é a imagem microscópica correspondente para o material envolvido?

Em colaboração envolvendo cientistas da República Tcheca, os EUA e a Alemanha, a equipe de pesquisa de Pavel Jungwirth do Instituto de Química Orgânica e Bioquímica da Academia Tcheca de Ciências (IOCB Praga) conseguiu mapear em nível molecular a transição de eletrólito para metal em soluções de metal alcalino-amônia líquida usando uma combinação de espectroscopia de fotoelétrons (PES) e cálculos de estrutura eletrônica. Os resultados de sua pesquisa foram publicados recentemente em Ciência .

Metais alcalinos dissolvidos em amônia líquida representam sistemas arquetípicos para explorar a transição de eletrólitos azuis em baixas concentrações para soluções metálicas de bronze ou ouro (com condutividade comparável a um fio de cobre) com concentrações mais altas de elétrons em excesso. Ao mesmo tempo, PES representa uma ferramenta ideal para estabelecer a estrutura eletrônica pertinente a esta transição. Como uma técnica de ultra-alto vácuo, PES foi considerado incompatível com líquidos voláteis até que a técnica de microjatos líquidos foi desenvolvida para água e soluções aquosas. Contudo, foi apenas em 2019 que o grupo de Pavel Jungwirth, em colaboração com colegas da University of Southern California e do síncrotron BESSY II em Berlim, realizou as primeiras medições de PES em um líquido polar refrigerado - amônia líquida pura.

"Isso é o que acontece quando você dá a um grupo de teoria um pouco de espaço de laboratório para jogar, "diz Pavel Jungwirth sobre a decisão do diretor do Instituto de conceder-lhe um pequeno laboratório.

Esta conquista abriu a porta para estudos PES de sistemas de metal alcalino-amônia líquida (conforme relatado no presente artigo em Ciência ), que mapeiam a transição eletrólito-metal para o lítio, sódio e potássio dissolvidos em amônia líquida por meio de PES usando radiação síncrotron de raios-X suave. Desta maneira, os pesquisadores capturaram pela primeira vez o sinal de fotoelétrons do excesso de elétrons na amônia líquida como um pico em cerca de 2 eV de energia de ligação. Este pico, então, se amplia assimetricamente em direção a energias de ligação mais altas ao aumentar a concentração de metal alcalino, formando gradualmente uma banda de condução com uma borda de Fermi afiada acompanhada por picos de plasmon, ambos são impressões digitais do comportamento metálico nascente.

Junto com cálculos de estrutura eletrônica de última geração, essas medições fornecem uma imagem molecular detalhada da transição de um metal não metálico, permitindo aos pesquisadores compreender melhor o início do comportamento metálico caracterizado por propriedades como alta condutividade elétrica.

"Esperançosamente, o presente trabalho com amônia metálica abrirá o caminho para a realização de nossa ideia mais 'explosiva':a preparação de água metálica misturando-a com muito cuidado com metais alcalinos, "conclui Pavel Jungwirth.