En la cámara de muestras, la aleación NaK gotea de una boquilla. A medida que crece la gota, El vapor de agua fluye hacia la cámara de muestra y forma una fina capa en la superficie de la gota. Crédito:HZB
Bajo condiciones normales, el agua pura es un aislante casi perfecto. El agua solo desarrolla propiedades metálicas bajo presión extrema, tal como existe en el interior de los grandes planetas. Ahora, una colaboración internacional ha utilizado un enfoque completamente diferente para producir agua metálica y documentó la transición de fase en BESSY II. El estudio se publica ahora en Naturaleza .
Todos los niños saben que el agua conduce la electricidad, pero esto se refiere al agua cotidiana "normal" que contiene sales. Puro, agua destilada, por otra parte, es un aislante casi perfecto. Consiste en H 2 O moléculas que están débilmente unidas entre sí a través de enlaces de hidrógeno. Los electrones de valencia permanecen unidos y no son móviles. Para crear una banda de conducción con electrones en movimiento libre, el agua tendría que estar presurizada hasta tal punto que los orbitales de los electrones externos se superpongan. Sin embargo, un cálculo muestra que esta presión solo está presente en el núcleo de grandes planetas como Júpiter.
Proporcionar electrones
Una colaboración internacional de 15 científicos de once instituciones de investigación ha utilizado un enfoque completamente diferente para producir una solución acuosa con propiedades metálicas por primera vez y documentó esta transición de fase en BESSY II. Para hacer esto, experimentaron con metales alcalinos, que liberan su electrón externo muy fácilmente.
Evitando explosión
Sin embargo, Se sabe que la química entre los metales alcalinos y el agua es explosiva. El sodio u otros metales alcalinos comienzan a arder inmediatamente en el agua. Pero el equipo encontró una manera de mantener esta química violenta bajo control:no arrojaron un trozo de metal alcalino al agua, pero lo hicieron al revés:pusieron un poquito de agua en una gota de metal alcalino, una aleación de sodio-potasio (Na-K), que es líquido a temperatura ambiente.
La primera imagen muestra una gota pura de aleación de sodio y potasio; en las siguientes imágenes, vemos la gota expuesta a la acción del vapor de agua a 10-4 mbar. Se forma una capa de agua en la gota, en el que los electrones liberados del metal se disuelven, dándole un brillo metálico dorado. Crédito:Phil Mason / IOCB Praga
Experimento en BESSY II
En BESSY II, montaron el experimento en el SOL 3 Cámara de muestra de alto vacío de PES en la línea de luz U49 / 2. La cámara de muestra contiene una boquilla fina de la que gotea la aleación líquida de Na-K. La gota de plata crece durante unos 10 segundos hasta que se desprende de la boquilla. A medida que crece la gota, algo de vapor de agua fluye hacia la cámara de muestra y forma una piel extremadamente delgada en la superficie de la gota, solo unas pocas capas de moléculas de agua. Esto casi inmediatamente hace que los electrones, así como los cationes metálicos, se disuelvan de la aleación alcalina en el agua. Los electrones liberados en el agua se comportan como electrones libres en una banda de conducción.
Piel de agua dorada
"¡Puedes ver la transición de fase a agua metálica a simple vista! La gota plateada de sodio y potasio se cubre con un brillo dorado, que es muy impresionante, "informa el Dr. Robert Seidel, quien supervisó los experimentos en BESSY II. La fina capa de agua metálica de color dorado permanece visible durante unos segundos. Esto permitió al equipo dirigido por el profesor Pavel Jungwirth, Academia Checa de Ciencias, Praga, demostrar con análisis espectroscópicos en BESSY II y en el IOCB en Praga que efectivamente es agua en estado metálico.
Huellas dactilares de la fase metálica
Las dos huellas dactilares decisivas de una fase metálica son la frecuencia del plasmón y la banda de conducción. Los grupos pudieron determinar estas dos cantidades utilizando espectroscopía de reflexión óptica y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X de sincrotrón:mientras que la frecuencia del plasmón del color dorado, La 'piel de agua' metálica es de aproximadamente 2,7 eV (es decir, en el rango azul de la luz visible), la banda de conducción tiene un ancho de aproximadamente 1,1 eV con un borde de Fermi afilado. "Nuestro estudio no solo muestra que de hecho se puede producir agua metálica en la Tierra, sino que también caracteriza las propiedades espectroscópicas asociadas con su hermoso brillo metálico dorado, "dice Seidel.
