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化工仪器网 项目成果】点石成金早已被证实是炼金术士的异想天开。但是近日却有消息称,有实验室发现了把水变成金属的奥秘,甚至相关论文还发表在了《自然》科学杂志上。这是怎么回事?!让我们一探究竟。
近期发表于《自然》杂志的一项研究中,一支国际合作团队首次在实验室里使原本绝缘的纯水转变成金属。
首先我们需要明确一下水能导电和纯水绝缘的原理和概念。
通常来说,我们会有水能导电的常识,但是在科学意义上,水是绝缘体。能够导电的水,是是日常生活中我们接触的水,如自来水和江河湖水等,这些水里有大量的离子和杂质,所以电阻低,会表现展现导电性。而水本身电离程度很低,几乎没有可自由移动的正负离子,因此并不导电。
换句话说,越是纯净的水,越不导电。如果一定要水导电,则需要对水施加4800万个大气压,它们才有可能转化为导体。但这是我们目前实验室无法达成的实验条件。
研究团队另辟蹊径,绕开了高压条件,想到了向碱金属“借”电子的奇妙方案。
碱金属是指在元素周期表中ⅠA族除氢(H)外的六个金属元素,即锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr),他们均有一个属于s轨道的最外层电子,极易丢失。如果大量来自碱金属元素外层的电子混入水分子中,这些可移动的电子就会形成导带,从而使水分子具有导电性。
当然,我们并不能直接将碱金属放入水中,否则就会产生剧烈化学反应。研究团队的解决思路是将少量水分子沉积在碱金属表面上,尽可能减少碱金属与水的化学反应。研究团队将装有钠钾合金液体的注射器放在一个真空容器中,在注射器的针尖处,钠钾合金液滴逐渐长大,最终滴落。在液滴长大的同时,研究者通过另一通道向容器中注入一定压力的水蒸气,其在不断长大的液滴表面凝结、沉积,形成薄薄的吸附层。这时,吸附层的水分子就能“偷”走碱金属的电子——换句话说,碱金属外层电子和金属离子向水分子内迁移,这些自由电子就能在水分子内形成导带。当容器内的水蒸气压力达到10-4 mbar时,水分子开始在合金液滴表面吸附,此时,液滴表面会立刻变成具有金属光泽的金色并维持大约5秒。
研究团队借助谱学手段证实水分子吸附层的金属性。在反射
光谱中,研究人员观察到了对应金属特征的吸收峰(400-600 nm);而在同步辐射X射线光电子能谱中,无论是等离子体振动的能量(2.7 eV)还是导带(1.1 eV禁带宽度),都呈现出只有金属材料才具备的特征。这些测量结果共同说明,在这项实验中,水的确转变成了金属。
这项实验突破了我们对水的认知,也许对将来制造液体金属会有一定的借鉴意义。
参考论文
Article丨Published: 28 July 2021
Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution
Philip E. Mason, H. Christian Schewe, Tillmann Buttersack, Vojtech Kostal, Marco Vitek, Ryan S. McMullen, Hebatallah Ali, Florian Trinter, Chin Lee, Daniel M. Neumark, Stephan Thürmer, Robert Seidel, Bernd Winter, Stephen E. Bradforth & Pavel Jungwirth
Nature volume 595, pages 673–676 (2021)