劇情介紹
在我們的印象中，水和金屬是完全不相干的兩類物體，但一項(xiàng)發(fā)表于《自然》的研究卻讓兩者產(chǎn)生了奇妙的聯(lián)系。通過一個巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)突破了極端壓力的技術(shù)限制，在實(shí)驗(yàn)室制造出“金屬水”。
純水無疑是幾乎完美的絕緣體——可以說，在我們的印象中，水是與導(dǎo)電的金屬“絕緣”的。但事實(shí)上，包括水在內(nèi)，很多物體在足夠大的壓力條件下，都可以轉(zhuǎn)化成導(dǎo)體，從而呈現(xiàn)特殊的金屬性質(zhì)——在高壓下，原子或分子被擠壓并共用電子，這些自由移動的電子就讓絕緣材料擁有了導(dǎo)電性。
但問題是，這個轉(zhuǎn)變過程需要的壓力非常高。對于純水而言，需要在4800萬個大氣壓下，它們才有可能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。的確，這樣的極端壓力可以存在于大質(zhì)量行星的內(nèi)部。例如，科學(xué)家預(yù)測，在太陽系行星中，只有木星內(nèi)部的壓力足以讓水金屬化。但在地球的實(shí)驗(yàn)室里，如此高的壓力顯然是無法企及的。根據(jù)近期的研究結(jié)果，目前最高的實(shí)驗(yàn)壓力也只能使純水呈現(xiàn)超離子態(tài)，具備質(zhì)子導(dǎo)電性；但不能呈現(xiàn)出具備電子導(dǎo)電性的金屬態(tài)。
純水的金屬化
不過，就在近期發(fā)表于《自然》雜志的一項(xiàng)研究中，一支國際合作團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，他們繞開了高壓條件，首次在實(shí)驗(yàn)室里使原本絕緣的純水轉(zhuǎn)變成金屬。
在純水中，水分子由氫鍵連接，因此其價(jià)電子穩(wěn)定，不易移動。為了產(chǎn)生能移動的自由電子，研究團(tuán)隊(duì)想到了一個方案——向堿金屬“借”電子。
我們都知道，由鋰、鈉、鉀、銣、銫和鈁組成的堿金屬家族很容易丟失最外層唯一的一個電子。如果大量來自堿金屬元素外層的電子混入水分子中，這些可移動的電子就會形成導(dǎo)帶，從而使水分子具有導(dǎo)電性。
這個方案聽起來并不復(fù)雜，但要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，首先要解決的就是堿金屬遇水爆炸的問題。中學(xué)化學(xué)課本就已經(jīng)介紹過，鈉等堿金屬投入水中之后，會立即燃燒、發(fā)生爆炸性的化學(xué)反應(yīng)。對此，研究團(tuán)隊(duì)的解決思路是，不再簡單地將堿金屬扔進(jìn)水里，而是將少量水分子沉積在堿金屬表面上，盡可能減少堿金屬與水的化學(xué)反應(yīng)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)選用的是堿金屬鈉、鉀的合金，這種合金在室溫下呈液態(tài)。他們將裝有鈉鉀合金液體的注射器放在一個真空容器中，在注射器的針尖處，鈉鉀合金液滴逐漸長大，最終滴落。在液滴長大的同時(shí)，研究者通過另一通道向容器中注入一定壓力的水蒸氣，其在不斷長大的液滴表面凝結(jié)、沉積，形成薄薄的吸附層。而整個實(shí)驗(yàn)裝置中的水蒸氣壓力只有10-4 mbar，相當(dāng)于10-7 個大氣壓。
堿金屬的電子遷移
這時(shí)，吸附層的水分子就能“偷”走堿金屬的電子——換句話說，堿金屬外層電子和金屬離子向水分子內(nèi)遷移，這些自由電子就能在水分子內(nèi)形成導(dǎo)帶。而確保這一反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵因素在于，電子和離子的遷移速率需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水分子層在合金表面沉積的速率，從而抑制堿金屬與水之間激烈的化學(xué)反應(yīng)。
在實(shí)驗(yàn)容器內(nèi)，堿金屬液滴在吸附了水分子之后，出現(xiàn)了一系列精彩絕倫的變化。純的鈉鉀合金液滴呈銀色，當(dāng)容器內(nèi)的水蒸氣壓力達(dá)到10-4 mbar時(shí)，水分子開始在合金液滴表面吸附。此時(shí)，液滴表面會立刻變成具有金屬光澤的金色并維持大約5秒——這樣的金屬光澤很可能是水中的自由電子反射可見光而產(chǎn)生的。隨后，伴隨著水分子吸附層的增長，液滴依次呈現(xiàn)出深紅褐色、紫色或藍(lán)色、白色，最終失去其金屬光澤。整個過程持續(xù)10秒，液滴逐漸長大，當(dāng)直徑約5毫米時(shí)便從注射器口滴落下來，新的液滴隨之源源不斷地流出。
金屬水的譜學(xué)特征
當(dāng)然，對于研究團(tuán)隊(duì)來說，肉眼觀察到金屬光澤只是第一步，他們還需要通過現(xiàn)代儀器證明這一點(diǎn)。得益于水中自由移動的電子，金屬水能維持長達(dá)幾秒的時(shí)間，這足以使研究人員借助譜學(xué)手段證實(shí)水分子吸附層的金屬性。其中，他們在反射光譜中觀察到了對應(yīng)金屬特征的吸收峰（400-600 nm）；而在同步輻射x射線光電子能譜中，無論是等離子體振動的能量（2.7 ev）還是導(dǎo)帶（1.1 ev禁帶寬度），都呈現(xiàn)出只有金屬材料才具備的特征。這些測量結(jié)果共同說明，在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，水的確轉(zhuǎn)變成了金屬。
這項(xiàng)新的研究成果突破了極端壓力的條件限制，使在地球上制備金屬水成為可能。論文的通訊作者pavel jungwirth表示，觀察到金屬水是他的學(xué)術(shù)生涯的高光時(shí)刻。牛津大學(xué)的化學(xué)家peter edwards評論稱，此研究工作是重要的科學(xué)進(jìn)展，這突破了人類對于水的認(rèn)知：誰能想到水還能呈現(xiàn)金色的金屬光澤呢？
編譯：王怡博
審校：吳非
參考鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03646-5
https://www.nature.com/articles/d41586-021-02065-w
https://phys.org/news/2021-07-metal.html
https://www.sciencealert.com/scientists-have-found-a-new-way-to-turn-water-metallic
