Wat betekent het om een ​​metaal te zijn? Hoe wordt een metaal gevormd? Dit lijken schoolvragen met een eenvoudig antwoord:metaal wordt gekenmerkt door vrije elektronen die aanleiding geven tot een hoge elektrische geleidbaarheid. Maar hoe, precies, is een metalen geleidingsband gevormd uit oorspronkelijk gelokaliseerde elektronen, en wat is de overeenkomstige microscopische afbeelding voor het betreffende materiaal?

In samenwerking met wetenschappers uit Tsjechië, de VS en Duitsland, het onderzoeksteam van Pavel Jungwirth van het Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen (IOCB Praag) is erin geslaagd om op moleculair niveau de elektrolyt-naar-metaalovergang in alkalimetaal-vloeibare ammoniakoplossingen in kaart te brengen met behulp van een combinatie van foto-elektronenspectroscopie (PES) en elektronische structuurberekeningen. De resultaten van hun onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Wetenschap .

Alkalimetalen opgelost in vloeibare ammoniak vertegenwoordigen archetypische systemen om de overgang van blauwe elektrolyten in lage concentraties naar brons- of goudkleurige metaaloplossingen (met geleidbaarheid vergelijkbaar met een koperdraad) met hogere concentraties overtollige elektronen te onderzoeken. Tegelijkertijd, PES is een ideaal hulpmiddel om de elektronische structuur vast te stellen die relevant is voor deze overgang. Als ultrahoogvacuümtechniek, Lange tijd werd gedacht dat PES onverenigbaar was met vluchtige vloeistoffen totdat de techniek van vloeibare microjets werd ontwikkeld voor water en waterige oplossingen. Echter, pas in 2019 voerde de groep van Pavel Jungwirth in samenwerking met collega's van de University of Southern California en de BESSY II synchrotron in Berlijn de eerste succesvolle PES-metingen uit op een gekoelde polaire vloeistof - pure vloeibare ammoniak.

"Dit gebeurt er als je een theoriegroep wat labruimte geeft om te spelen, " zegt Pavel Jungwirth over het besluit van de directeur van het Instituut om hem een ​​klein laboratorium toe te kennen.

Deze prestatie opende de deur naar PES-onderzoeken van alkalimetaal-vloeibare ammoniaksystemen (zoals gerapporteerd in het huidige artikel in Wetenschap ), die de elektrolyt-naar-metaal overgang voor lithium in kaart brengen, natrium en kalium opgelost in vloeibare ammoniak door middel van PES met zachte röntgensynchrotronstraling. Op deze manier, onderzoekers vingen voor het eerst het foto-elektronensignaal van overtollige elektronen in vloeibare ammoniak als een piek bij ongeveer 2 eV bindingsenergie. Deze piek verbreedt zich vervolgens asymmetrisch naar hogere bindingsenergieën bij verhoging van de alkalimetaalconcentratie, geleidelijk een geleidingsband vormend met een scherpe Fermi-rand vergezeld van plasmonpieken, beide zijn vingerafdrukken van het ontluikende metaalgedrag.

Samen met de modernste elektronische structuurberekeningen, deze metingen geven een gedetailleerd moleculair beeld van de overgang van een niet-metaal naar een metaal, waardoor onderzoekers het begin van metallisch gedrag beter begrijpen dat wordt gekenmerkt door eigenschappen zoals een hoge elektrische geleidbaarheid.

"Hopelijk, het huidige werk aan metallische ammoniak zal de weg openen naar het realiseren van ons meest 'explosieve' idee:de bereiding van metallisch water door het zeer zorgvuldig te mengen met alkalimetalen, " besluit Pavel Jungwirth.