点水成金、巨大突破:第一次,他们把绝缘纯水变成了金属

2021/8/10 7:53:49 来源:IT之家 作者:问舟 责编:问舟

IT之家 8 月 10 日消息 众所周知,水和金属是完全不相干的两类物体。在正常条件下,纯水几乎是完美的绝缘体,除非在极端压力下才会产生一些金属的特性。

然而,最近《自然》杂志上发布的一项研究却显示纯水也可以变成“金属”,研究人员通过一个巧妙的实验设计在实验室成功制造出了金属水,这是科学家们“绕过”高压限制条件首次在实验室里让绝缘的纯水转变为金属。

▲ 水分子转化为金属态并呈现金色光泽,图源:Nature,©Philip E. Mason

IT之家了解到,他们通过在共享电子的碱金属周围形成一层薄水层,从而使水分子在几秒钟内变成了金属状态。

合著者、布拉格捷克科学院物理化学家 Pavel Jungwirth 称,看到水呈现出金色的光芒是他职业生涯的一大高光。据悉,该团队于 7 月 28 日在《Nature》上发表了其研究结果,震惊世界。

“这是一个最重要的进步,”英国牛津大学的化学家 Peter Edwards 说。“谁能想到…… 青铜,金属水?”

理论上,如果施加足够的压力,大多数材料都能变成金属,例如使其处于星球核心处的高压下。

在高压下,原子或分子紧紧地挤在一起,然后它们开始共享其外部电子,最终呈现出的状态类似铜或铁般拥有移动电子且支持导电。

因此,地球物理学家认为,海王星或天王星等大质量行星的中心含有金属状态的水,而高压金属氢甚至可以成为超导体,能够在没有任何阻力的情况下导电。

Jungwirth 指出,以这种方式将水转化为金属态需要 1500 万个大气压,这是当前实验室技术无法达到的限制条件。

但他怀疑水可以通过另一种方式变得导电:通过从碱金属中借用电子。而此前英国著名化学家汉弗莱・戴维 (Humphry Davy) 在 19 世纪初就发现了氨在这种条件下会变亮的事实。

▲ 实验视频演示,图源:Philip E. Mason

因此,该团队想用水代替氨来尝试相同的方法,但他们面临一个挑战:碱金属与水混合时往往会发生爆炸性反应(例如第一族)。他们后设计了一种实验装置,可以大幅减慢两者的反应速度,从而使其不会爆炸。

研究人员将一种钠和钾的液体混合物填充到注射器中,然后将其放入真空环境下。然后,他们使用注射器形成金属混合物的液滴,并将它们暴露在少量水蒸气中。

在这个前提下,水分子在每个液滴上凝结形成了十分之一微米厚的一层特殊区域。然后,液滴中的电子与正金属离子一起迅速扩散到水中,并几秒钟内变成了金色。

图片说明:开始是一滴纯钠钾合金,随后从金属中释放出的电子溶解在水层中,使其呈现出金色的金属光泽。图源:物理学家组织网

▲ 图源:物理学家组织网

在这个过程中,时机很关键,好在他们已经成功达到了准稳态,从而利用物理学战胜了化学分解。

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