Ученые превратили воду в металл

Чистая вода - почти идеальный изолятор. Да, вода, встречающаяся в природе, проводит электричество - но это происходит из-за содержащихся в ней примесей, которые растворяются в свободных ионах, позволяющих протекать электрическому току. Чистая вода становится "металлической" - электропроводящей - только при чрезвычайно высоком давлении, которое мы не в состоянии создать в лабораторных условиях.

Но, как впервые продемонстрировали исследователи в 2021 году, не только высокое давление может вызвать металличность чистой воды.

Если привести чистую воду в контакт с электронообменным щелочным металлом - в данном случае сплавом натрия и калия - можно добавить свободно движущиеся заряженные частицы, превратив воду в металлическую.

Возникающая в результате проводимость длится всего несколько секунд, но это значительный шаг на пути к пониманию этой фазы воды путем ее непосредственного изучения.

"Вы можете увидеть фазовый переход к металлической воде невооруженным глазом!" - объяснил физик Роберт Зайдель из Берлинского Центра Гельмгольца по изучению материалов и энергии в Германии в прошлом году, когда была опубликована статья.

"Серебристая натриево-калиевая капля покрывается золотистым сиянием, что очень впечатляет".

При достаточно высоком давлении практически любой материал теоретически может стать проводящим.

Идея заключается в том, что если сжать атомы достаточно плотно, то орбитали внешних электронов начнут перекрываться, позволяя им двигаться. Для воды это давление составляет около 48 мегабар - чуть менее чем в 48 миллионов раз больше атмосферного давления на уровне моря.

Хотя давление, превышающее это значение, было создано в лабораторных условиях, такие эксперименты были бы непригодны для изучения металлической воды. Поэтому группа исследователей под руководством химика-органика Павла Юнгвирта из Чешской академии наук в Чехии обратилась к щелочным металлам.

Эти вещества очень легко освобождают свои внешние электроны, что означает, что они могут вызвать свойства обмена электронами чистой воды под высоким давлением без высокого давления.

Есть только одна проблема: щелочные металлы очень реактивны с жидкой водой, иногда даже до степени взрыва (ниже есть очень крутое видео).

Бросьте металл в воду, и вы получите "кабум".

Исследовательская группа нашла очень оригинальный способ решения этой проблемы. Что если вместо того, чтобы добавлять металл в воду, добавить воду в металл?

В вакуумной камере группа начала с выдавливания из сопла небольшого куска натрий-калиевого сплава, жидкого при комнатной температуре, и очень осторожно добавила тонкую пленку чистой воды методом осаждения паров.

При контакте электроны и катионы металла (положительно заряженные ионы) перетекали в воду из сплава.

Это не только придало воде золотистый блеск, но и сделало ее проводящей - точно так же, как мы должны видеть в чистой металлической воде под высоким давлением.

Это было подтверждено с помощью оптической спектроскопии отражения и синхротронной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

Два свойства - золотистый блеск и полоса проводимости - занимают два разных частотных диапазона, что позволило четко идентифицировать их оба.

Помимо того, что исследование дает нам лучшее понимание этого фазового перехода здесь, на Земле, оно также может позволить внимательно изучить экстремальные условия высокого давления внутри больших планет.

В ледяных планетах Солнечной системы, Нептуне и Уране, например, жидкий металлический водород, как полагают, находится в вихревом состоянии. И только на Юпитере давление считается достаточно высоким, чтобы металлизировать чистую воду.

Перспектива воспроизведения условий внутри планетарного колосса нашей Солнечной системы действительно захватывает.

"Наше исследование не только показывает, что металлическая вода действительно может быть получена на Земле, но и характеризует спектроскопические свойства, связанные с ее красивым золотистым металлическим блеском", - сказал Зайдель.