绝缘纯水首次在实验室转成金属

来源:科技日报 发布时间:[2021-08-10]

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开始是一滴纯钠钾合金,随后从金属中释放出的电子溶解在水层中,使其呈现出金色的金属光泽。图片来源:物理学家组织网

在正常条件下,纯水几乎是完美的绝缘体,水只有在极端压力下才会产生金属特性,譬如说在某些行星的深处。但据物理学家组织网近日消息称,一项国际合作研究使用完全不同的方法生产了金属水。这是科学家们绕过高压首次在实验室里让原本绝缘的纯水转变成金属。该研究现已发表在近期《自然》杂志上。

只要有足够大的压力条件,很多物质,包括水在内,都可以转化成导体,从而呈现特殊的金属性质。这是因为在高压下,原子或分子被挤压并共用电子,这些自由移动的电子,就让绝缘材料拥有了导电性。当然,这一条件意味着非常高的压力,对于纯水而言,需在4800万个大气压下才有可能转化为导体,这种极端压力往往仅存在于大质量行星的内部。

现在,来自世界各地11个研究机构组成的国际团队,绕开了高压条件,在德国柏林名为BESSY Ⅱ”的实验设施中完成了这项工作。研究团队突破的关键是将水与碱金属配对。碱金属其实很容易从其原子的外壳中释放电子,不过,碱金属和水之间的化学反应非常之剧烈。因此在实验中,研究人员颠倒了惯例混合方式,改为将一小点水滴在一滴碱金属上,在一个真空室内,室温下以液体形式存在的钠钾合金从一个喷嘴滴下,然后水蒸气再通过管道进入真空室,在金属液滴的外部形成一个极薄的外层。最后,电子和金属阳离子从钠钾合金中流入水中,形成导电的金属水

这项研究成果避开了极端压力的条件限制,使在地球上的实验室内制备金属水成为可能,突破了人类对水的认知。

研究人员罗伯特·塞德尔表示,他们甚至可以用肉眼看到金属水的相变——“银色的钠钾液滴覆盖着金色的光芒,令人印象深刻。研究人员帕弗尔·朱威尔斯则表示,观察到金属水是他学术生涯的高光时刻。

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想象一下这个画面。一群国际团队,利用德国柏林的实验设施,一步一步操作,环环相扣,过程也必须严丝合缝。一切就像一场严谨又华丽的魔术。然后,电子和金属阳离子流入水中。金色的光芒,覆盖着银色的钠钾液,这是人类制造出的美景——金属水。这次,他们没有走高压路线,用精巧的设计,避免了爆炸,让纯水具备了金属特性——水中的带电粒子的行为就像金属块中的自由电子一样。制备出金属水,就像创造出了一种新的物质,这种美丽令人振奋和激动。


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