Dodano: 04 sierpień 2021r.

Naukowcy przekształcili wodę w metal

Naukowcom udało się stworzyć metaliczną wodę. Osiągnęli to tworząc cienką warstwę wody wokół metali alkalicznych, w tym przypadku sodu i potasu, zamieniając wodę w metaliczny materiał przewodzący prąd elektryczny.

Naukowcy przekształcili wodę w metal

 

W normalnych warunkach czysta woda jest prawie idealnym izolatorem. Właściwości metalicznych nabiera tylko pod wpływem ekstremalnego ciśnienia, jakie występuje głęboko wewnątrz gazowych olbrzymów, jak chociażby Jowisza. Uzyskanie takich ciśnień w laboratorium jest obecnie poza naszymi możliwościami. Jednak naukowcy zastosowali zupełnie inne podejście do produkcji metalicznej wody. Ich wysiłki zostały opisane na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-021-03646-5).

Metaliczna woda

W doświadczeniach międzynarodowej grupy naukowców woda pozostawała w stanie metalicznym tylko przez kilka sekund, ale eksperyment nie wymagał wysokiego ciśnienia, które normalnie jest potrzebne do przekształcenia materiałów niemetalicznych w metale przewodzące prąd elektryczny.

Teoretycznie większość materiałów może stać się metaliczna, jeśli zostanie poddana wystarczającemu naciskowi. Atomy mogą być ściśnięte tak mocno, że zaczynają dzielić swoje zewnętrzne elektrony, które mogą swobodnie przemieszczać się i przewodzić elektryczność, tak jak w kawałku miedzi lub żelaza. Fizycy sądzą, że wewnątrz masywnych planet, takich jak Neptun czy Uran, w takim właśnie metalicznym stanie znajduje się woda czy wodór, który pod niezwykle wysokim ciśnieniem może nawet stać się nadprzewodnikiem, zdolnym do przewodzenia elektryczności bez żadnego oporu.

Przekształcenie wody w metal w ten sposób wymagałoby, jak szacują naukowcy, ciśnienia minimum 15 milionów razy większego niż na powierzchni naszej planety. Jak już wspomniano, jest to poza zasięgiem obecnych technik laboratoryjnych. Jednak uczeni podejrzewali, że woda może uzyskać przewodnictwo właściwe metalom w alternatywny sposób: pożyczając elektrony od metali alkalicznych. Te reaktywne pierwiastki mają tendencję do przekazywania swojego najbardziej zewnętrznego elektronu.

Podkradanie elektronu

15 naukowców z 11 instytucji badawczych podjęło się wyzwania. Wiadomo jednak, że chemia między metalami alkalicznymi i wodą jest wybuchowa. Sód czy potas w kontakcie z wodą natychmiast wchodzą w reakcje, co kończy się eksplozją. Rozwiązaniem było zaprojektowanie układu eksperymentalnego, który spowolniłby reakcję, aby nie była tak wybuchowa.

Badacze nie wrzucili kawałka metalu alkalicznego do wody, ale zrobili to w odwrotny sposób - nanieśli niewielką jej ilość na metal. W tym celu wstrzyknęli do komory próżniowej stop sodowo-potasowy, który w temperaturze pokojowej ma stan ciekły. Do komory dodali też niewielkiej ilości pary wodnej. Woda skondensowała się na każdej kropelce alkalicznego stopu i utworzyła warstwę o grubości jednej dziesiątej mikrometra. Ta warstwa „podkradła” elektron ze stopu i w ciągu kilku sekund zmieniała się w metaliczną wodę, przybierając złotawą barwę.

Eksperymenty w synchrotronie w Berlinie potwierdziły, że uzyskany przez badaczy materiał daje sygnatury, jakich można się spodziewać po metalicznej wodzie. Kluczem do uniknięcia eksplozji było znalezienie okna czasowego, w którym dyfuzja elektronów była szybsza niż reakcja między wodą a metalami.

Współautor badań, Pavel Jungwirth z Czeskiej Akademii Nauk w Pradze mówi, że eksperyment był odświeżającą przerwą od jego codziennej pracy, która polega na przeprowadzaniu symulacji komputerowych w chemii organicznej. Przypomniał też, że nauka może być zabawą. - To nie jest coś, na co można dostać pieniądze, ale coś, co można robić po godzinach lub w weekendy – mówi.

 

Źródło: Nature, fot. Philip E. Mason