@ 2021.07.30 , 21:19

水转变为金色、闪亮的金属

投稿:alma29
原文:https://www.nature.com/articles/d41586-021-02065-w

水转变为金色、闪亮的金属
Credit: Philip E. Mason

一滴钠钾合金中的电子使水转变为具备金属性的材料并且可以导电。

如果你不能像优秀的炼金术师一样把水变成黄金,那么把水变成金属性且具金属光泽的材料也差不太多。科学家做到了后者,通过使水在碱金属表面形成一层薄膜、与碱金属共用电子。

这样的水薄膜仅仅在金属性状态下维持了几秒钟,但这个实验不像其他将非金属材料转变为导电金属的实验一样,它不需要高压环境。

合著者Pavel Jungwirth是一名捷克科学院的物理化学家。他说,见证水披上闪亮的金黄色是他的职业高光时刻之一。他所在的团队在2021年7月28日将成果发表在了《自然》杂志上。

“这是非常重要的进步”,牛津大学的化学家Peter Edwards说。“谁曾想到,古铜色、金属性的水?”

·金属性非金属

理论上说,大多数材料都能在高压下具备金属性。原子或者分子可以被挤压到非常紧密,它们开始共用外层电子,于是这些电子能够到处游动并且导电,就像一块铜或者铁一样。地球物理学家们认为大型星球的内核就是如此,比如海王星和天王星那样。它们的内核就是由金属氢构成,甚至可能是超导体,具备0电阻特性。

Jungwirth说,将水转变成具备金属性则需要一千五百万倍大气压,超出了目前实验室里能够准备的条件。但他猜想水也许可以通过其他方法获得金属性——从碱金属那里“借”电子。碱金属在元素周期表上处于1族(译注:第一列,锂族),包含钾、钠等元素,非常活跃,乐于“贡献”其最外层的电子。去年,Jungwirth和他的同事Phil Mason——一位化学家同时是知名Youtube科普Up主——带领了一个团队用氨做到了类似的成果。Edwards说,氨在类似条件下能够变成银亮的是一个已知的成果,由不列颠科学家Humphry Davy在十九世纪早期发现。

他们的团队尝试用类似的方法处理水而不是氨,但遇到了一个难题:碱金属与水的反应是如此之剧烈,它们与水混合起来便会爆炸。他们的解决方案是设计一个实验装置,使得这个反应大幅减速,从而避免爆炸。这些科学家把在常温常压下呈液态的钠钾合金放在一个注射器中,然后放在一个真空仓内。接着,他们让注射器在有少量水蒸气的环境中慢慢挤出钠钾合金的小液滴。水蒸气在小液滴表面凝结成一层差不多十分之一微米厚的薄膜,同时小液滴中的电子和带正电的金属离子一起也快速扩散到水中。此时,水变成金黄色并维持数秒钟时间。

·时机至关重要

柏林的一台同步加速器的实验结果证明金黄色的闪光外观是金属性水的特征。Jungwirth说,避免爆炸的关键是寻找一个时间窗口,使得电子的扩散快于水和碱金属的化学反应。“他们成功取得了一个半稳定状态,这时金属化的物理过程的速度打败了化学分解反应的速度”Edwards说。

“我们完全不确定我们能找到这样的时间窗口”,Jungwirth说。“这真的赞,就像发现了新元素一样”(译注:比“这真棒”好一点吧…)

Jungwirth说这个实验是他愉快地摸鱼的成果。他的本职工作是跑有机化学的计算机模拟。这说明搞科学也可以是愉快的。(译注:PhD们听听这觉悟!)“这不是能拿来换经费的研究,但是可以周末做的事”。这不是他第一次与Phil Mason一起合作实际实验,2015年这两位科学家揭示了钠与水接触时爆炸的机制。这个实验的装置是设置在他们的研究机构的一个阳台上的,因为他们没有实验室可用。“所有人都很不爽,因为那是大家吸烟的地方。”,他回忆道,“我们当时问的是:我们能在阳台上搞点爆炸吗?”


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