Onder normale omstandigheden, zuiver water is een bijna perfecte isolator. Water ontwikkelt alleen metaalachtige eigenschappen onder extreme druk, zoals die diep in grote planeten voorkomt. Nutsvoorzieningen, een internationale samenwerking heeft een heel andere benadering gebruikt om metallisch water te produceren en de faseovergang bij BESSY II gedocumenteerd. De studie is nu gepubliceerd in Natuur .

Elk kind weet dat water elektriciteit geleidt, maar dit verwijst naar "normaal" alledaags water dat zouten bevat. Zuiver, gedistilleerd water, anderzijds, is een bijna perfecte isolator. Het bestaat uit H ₂ O-moleculen die losjes met elkaar verbonden zijn via waterstofbruggen. De valentie-elektronen blijven gebonden en zijn niet mobiel. Om een ​​geleidingsband te creëren met vrij bewegende elektronen, water zou zo onder druk moeten worden gezet dat de orbitalen van de buitenste elektronen elkaar overlappen. Echter, een berekening leert dat deze druk alleen aanwezig is in de kern van grote planeten zoals Jupiter.

Elektronen leveren

Een internationale samenwerking van 15 wetenschappers van elf onderzoeksinstellingen heeft nu voor het eerst een geheel andere benadering gebruikt om een ​​waterige oplossing met metaalachtige eigenschappen te produceren en deze faseovergang bij BESSY II gedocumenteerd. Om dit te doen, ze experimenteerden met alkalimetalen, die hun buitenste elektron heel gemakkelijk afgeven.

Explosie vermijden

Echter, de chemie tussen alkalimetalen en water staat bekend als explosief. Natrium of andere alkalimetalen beginnen onmiddellijk te branden in water. Maar het team vond een manier om deze gewelddadige chemie onder controle te houden:ze gooiden geen stuk alkalimetaal in water, maar ze deden het andersom:ze deden een klein beetje water op een druppel alkalimetaal, een natrium-kalium (Na-K) legering, die bij kamertemperatuur vloeibaar is.

Experimenteer bij BESSY II

Bij BESSY II, zij zetten het experiment op in de SOL ³ PES hoogvacuüm monsterkamer op de U49/2 bundellijn. De monsterkamer bevat een fijn mondstuk waaruit de vloeibare Na-K-legering druppelt. De zilveren druppel groeit ongeveer 10 seconden totdat hij loskomt van het mondstuk. Naarmate de druppel groeit, er stroomt wat waterdamp in de monsterkamer en vormt een extreem dunne huid op het oppervlak van de druppel, slechts een paar lagen watermoleculen. Hierdoor lossen de elektronen en de metaalkationen vrijwel onmiddellijk op uit de alkalische legering in het water. De vrijgekomen elektronen in het water gedragen zich als vrije elektronen in een geleidingsband.

Gouden waterhuid

"Je kunt met het blote oog de faseovergang naar metallisch water zien! De zilverachtige natrium-kaliumdruppel bedekt zichzelf met een gouden gloed, wat erg indrukwekkend is, " meldt Dr. Robert Seidel, die de experimenten bij BESSY II begeleidde. Het dunne laagje goudkleurig metallic water blijft enkele seconden zichtbaar. Hierdoor kon het team onder leiding van prof. Pavel Jungwirth, Tsjechische Academie van Wetenschappen, Praag, om met spectroscopische analyses bij BESSY II en bij het IOCB in Praag te bewijzen dat het inderdaad water in een metallische toestand is.

Vingerafdrukken van de metaalfase

De twee beslissende vingerafdrukken van een metallische fase zijn de plasmonfrequentie en de geleidingsband. De groepen waren in staat om deze twee grootheden te bepalen met behulp van optische reflectiespectroscopie en synchrotron-röntgenfoto-elektronspectroscopie:terwijl de plasmonfrequentie van de goudkleurige, metalen 'waterhuid' is ongeveer 2,7 eV (d.w.z. in het blauwe bereik van zichtbaar licht), de geleidingsband heeft een breedte van ongeveer 1,1 eV met een scherpe Fermi-rand. "Onze studie toont niet alleen aan dat metallisch water inderdaad op aarde kan worden geproduceerd, maar kenmerkt ook de spectroscopische eigenschappen die gepaard gaan met zijn prachtige gouden metaalglans, ' zegt Seidel.