Wissenschaftler verwandeln reines Wasser in ein Metall

Reines Wasser ist ein nahezu perfekter Isolator.

Ja, Wasser, das in der Natur vorkommt, leitet Elektrizität – aber wegen der darin enthaltenen Verunreinigungen, die sich in freien Ionen auflösen, die einen elektrischen Strom zum Fließen bringen. Reines Wasser wird erst bei extrem hohen Drücken „metallisch“ – elektronisch leitfähig -, die unsere derzeitigen Möglichkeiten zur Herstellung in einem Labor übersteigen.

Doch nicht nur hoher Druck kann diese Metallizität in reinem Wasser verursachen, wie Forscher nun erstmals nachgewiesen haben.

Durch Inkontaktbringen von reinem Wasser mit einem elektronenteilenden Alkalimetall – in diesem Fall einer Legierung aus Natrium und Kalium – können frei bewegliche geladene Teilchen hinzugefügt werden, die zu Wassermetall werden.

Die Leitfähigkeit dauert nur wenige Sekunden, aber es ist ein wichtiger Schritt, diese Wasserphase durch direktes Studium zu verstehen.

„Man kann den Phasenübergang zu Metallwasser mit bloßem Auge sehen!“ sagt der Physiker Robert Seidel van Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie in Deutschland. „Der silbrige Natrium-Kalium-Tropfen bedeckt sich mit einem goldenen Schimmer, was sehr beeindruckend ist.“

Unter hohem Druck kann theoretisch praktisch jedes Material leitfähig werden. Die Idee ist, dass, wenn Sie die Atome fest genug komprimieren, die Orbitale der äußeren Elektronen beginnen, sich zu überlappen, damit sie sich bewegen können. Für Wasser beträgt dieser Druck etwa 48 Megabar – knapp das 48-Millionen-fache des atmosphärischen Drucks der Erde auf Meereshöhe.

Obwohl der Druck in Laboratorien höher ist, sind solche Experimente für die Untersuchung von Metallwasser ungeeignet. So wandte sich ein Forscherteam um den Organiker Pavel Jungwirth von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Tschechien den Alkalimetallen zu.

Diese Stoffe geben ihre äußeren Elektronen sehr leicht ab, was bedeutet, dass sie ohne Hochdruck die Vergilbungseigenschaften von reinem Wasser unter hohem Druck bewirken können. Es gibt nur ein Problem: Alkalimetalle sind mit flüssigem Wasser sehr reaktiv, manchmal sogar bis zur Explosion (es gibt sehr cooles Video unten). Werfen Sie das Metall ins Wasser und Sie erhalten einen Kaboom.

Das Forschungsteam hat einen sehr guten Weg gefunden, dieses Problem zu lösen. Was ist, wenn dem Metall Wasser zugesetzt wird, anstatt das Metall dem Wasser zuzusetzen?

In einer Vakuumkammer begann das Team damit, einen kleinen Löffel einer bei Raumtemperatur flüssigen Natrium-Kalium-Legierung aus einer Düse aus einer Düse zu verteilen und sehr vorsichtig einen dünnen Film reinen Wassers durch Dampfabscheidung hinzuzugeben.

Beim Kontakt flossen die Elektronen und Metallkationen (positiv geladene Ionen) in das Wasser der Legierung.

Es verlieh dem Wasser nicht nur einen goldenen Glanz, sondern machte das Wasser leitfähig – genau wie wir es in reinem Metallwasser bei hohem Druck sehen sollten.

Dies wurde unter Verwendung optischer Reflexionsspektroskopie und Synchrotron-Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestätigt. Die beiden Eigenschaften – das goldene Leuchten und das leitfähige Band – belegten zwei unterschiedliche Frequenzbereiche, wodurch beide eindeutig identifiziert werden konnten.

Neben einem besseren Verständnis dieses Phasenübergangs hier auf der Erde kann die Forschung auch eine sorgfältige Untersuchung der extremen Hochdruckbedingungen auf großen Planeten ermöglichen.

In den Eisplaneten des Sonnensystems zum Beispiel wird angenommen, dass Neptun und Uranus flüssigen Metallwasserstoff rotieren. Und nur bei Jupiter ist der Druck hoch genug, um reines Wasser zu metallisieren.

Die Aussicht, die Bedingungen im planetarischen Koloss unseres Sonnensystems zu wiederholen, ist in der Tat aufregend.

„Unsere Studie zeigt nicht nur, dass Metallwasser tatsächlich auf der Erde produziert werden kann, sondern charakterisiert auch die spektroskopischen Eigenschaften, die mit seinem schönen goldenen Metallglanz verbunden sind“, Seidel sagte.

Die Studie wurde veröffentlicht in Natur.