Em condições normais, a água pura é um isolante quase perfeito. A água só desenvolve propriedades metálicas sob extrema pressão, tal como existe nas profundezas de grandes planetas. Agora, uma colaboração internacional usou uma abordagem completamente diferente para produzir água metálica e documentou a transição de fase em BESSY II. O estudo está publicado agora em Natureza .

Toda criança sabe que a água conduz eletricidade - mas isso se refere à água "normal" do dia-a-dia que contém sais. Puro, água destilada, por outro lado, é um isolante quase perfeito. Consiste em H ₂ Moléculas O que estão fracamente ligadas umas às outras por meio de ligações de hidrogênio. Os elétrons de valência permanecem ligados e não são móveis. Para criar uma banda de condução com elétrons que se movem livremente, a água teria que ser pressurizada a tal ponto que os orbitais dos elétrons externos se sobreponham. Contudo, um cálculo mostra que essa pressão está presente apenas no núcleo de grandes planetas como Júpiter.

Fornecendo elétrons

Uma colaboração internacional de 15 cientistas de onze instituições de pesquisa agora usou uma abordagem completamente diferente para produzir uma solução aquosa com propriedades metálicas pela primeira vez e documentou esta transição de fase em BESSY II. Para fazer isso, eles experimentaram metais alcalinos, que liberam seu elétron externo com muita facilidade.

Evitando explosão

Contudo, a química entre os metais alcalinos e a água é conhecida por ser explosiva. O sódio ou outros metais alcalinos começam imediatamente a queimar na água. Mas a equipe encontrou uma maneira de manter essa química violenta sob controle:eles não jogaram um pedaço de metal alcalino na água, mas eles fizeram isso ao contrário:eles colocaram um pouquinho de água em uma gota de metal alcalino, uma liga de sódio-potássio (Na-K), que é líquido à temperatura ambiente.

Experiência em BESSY II

Na BESSY II, eles montaram o experimento no SOL ³ Câmara de amostra de alto vácuo PES na linha de luz U49 / 2. A câmara de amostra contém um bico fino do qual goteja a liga de Na-K líquida. A gota de prata cresce por cerca de 10 segundos até se desprender do bico. Conforme a gota cresce, algum vapor de água flui para a câmara de amostra e forma uma película extremamente fina na superfície da gota, apenas algumas camadas de moléculas de água. Isso quase imediatamente faz com que os elétrons, bem como os cátions de metal, se dissolvam da liga alcalina na água. Os elétrons liberados na água se comportam como elétrons livres em uma banda de condução.

Pele de água dourada

"Você pode ver a transição de fase para água metálica a olho nu! A gota prateada de sódio-potássio se cobre com um brilho dourado, o que é muito impressionante, "relata o Dr. Robert Seidel, que supervisionou os experimentos em BESSY II. A fina camada de água metálica dourada permanece visível por alguns segundos. Isso permitiu que a equipe liderada pelo Prof. Pavel Jungwirth, Academia Tcheca de Ciências, Praga, para provar com análises espectroscópicas no BESSY II e no IOCB em Praga que é de fato água em um estado metálico.

Impressões digitais da fase metálica

As duas impressões digitais decisivas de uma fase metálica são a frequência do plasmon e a banda de condução. Os grupos foram capazes de determinar essas duas quantidades usando espectroscopia de reflexão óptica e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X síncrotron:Enquanto a frequência do plasmon da cor dourada, 'pele de água' metálica é de cerca de 2,7 eV (ou seja, na faixa azul da luz visível), a banda de condução tem uma largura de cerca de 1,1 eV com uma borda de Fermi afiada. "Nosso estudo não mostra apenas que a água metálica pode de fato ser produzida na Terra, mas também caracteriza as propriedades espectroscópicas associadas ao seu belo brilho metálico dourado, "diz Seidel.