September 20, 2021

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Wissenschaftler verwandelten reines Wasser in Metall

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Reines Wasser ist ein nahezu perfekter Isolator.

Ja, Wasser leitet in der Natur Strom – aber das liegt an den darin enthaltenen Verunreinigungen, die sich in freie Ionen auflösen, die einen elektrischen Strom fließen lassen. Reines Wasser wird erst bei extrem hohen Drücken “metallisch” – elektronisch leitfähig – jenseits unserer heutigen Laborkapazitäten.

Doch nicht nur hohe Drücke können diese Metallizität in reinem Wasser hervorrufen, wie Forscher nun erstmals gezeigt 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, wodurch das Wasser metallisch wird.

Die resultierende Leitfähigkeit dauert nur wenige Sekunden, ist aber ein wichtiger Schritt, um diese Phase des Wassers durch direktes Studium verstehen zu können.

„Man kann den Phasenübergang zu metallischem Wasser mit bloßem Auge sehen! ” sagte der Physiker Robert Seidel des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie in Deutschland. “Der silbrige Natrium-Kalium-Tröpfchen bedeckt sich mit einem goldenen Schimmer, was sehr beeindruckend ist.”

Unter ausreichend hohen Drücken könnte praktisch jedes Material theoretisch leitfähig werden. Die Idee ist, dass sich die Orbitale der äußeren Elektronen überlappen würden, wenn Sie die Atome genug zusammendrücken, sodass sie sich bewegen können. Für Wasser beträgt dieser Druck etwa 48 Megabar oder knapp das 48 Millionenfache des atmosphärischen Drucks der Erde auf Meereshöhe.

Obwohl im Labor Drücke darüber erzeugt wurden, wären solche Experimente für die Untersuchung von metallischem Wasser nicht geeignet. So wandte sich ein Forscherteam um den organischen Chemiker Pavel Jungwirth von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Tschechien den Alkalimetallen zu.

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Diese Substanzen geben ihre externen Elektronen sehr leicht ab, was bedeutet, dass sie ohne die hohen Drücke die Elektronenaustauscheigenschaften von unter hohem Druck stehendem reinem Wasser induzieren könnten. Es gibt nur ein Problem: Alkalimetalle sind mit flüssigem Wasser sehr reaktiv, manchmal sogar bis zur Explosion (es gibt echt cooles video unten). Lassen Sie das Metall ins Wasser fallen und Sie erhalten einen Kaboom.

Das Forscherteam hat einen sehr cleveren Weg gefunden, dieses Problem zu lösen. Was wäre, wenn dem Metall Wasser zugesetzt würde, anstatt dem Wasser das Metall zuzusetzen?

In einer Vakuumkammer begann das Team mit dem Extrudieren eines kleinen Tropfens einer bei Raumtemperatur flüssigen Natrium-Kalium-Legierung aus einer Düse und fügte sehr vorsichtig einen dünnen Film reinen Wassers durch Abscheidung in die Dampfphase hinzu.

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

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

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

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

Auf den Eisplaneten des Sonnensystems, Neptun und Uranus zum Beispiel, soll flüssiger metallischer Wasserstoff wirbeln. Und es gibt nur Jupiter, in dem die Drücke hoch genug wären, um reines Wasser zu metallisieren.

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Die Aussicht, die Bedingungen im planetarischen Koloss unseres Sonnensystems nachbilden zu können, ist in der Tat spannend.

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

Die Studie wurde veröffentlicht in Natur.

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