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《自然》:第一次,他们把水酿成了金属

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【摘要】 碱金属钠、钾的电子迁移到水的薄层中,使水分子转化为金属态并呈现金色光泽。图片来源:Philip E. Mason 在我们的印象中,水和金属是完全不相干的两类物......

碱金属钠、钾的电子迁移到水的薄层中,使水分子转化为金属态并呈现金色光泽。图片来源:Philip E. Mason

在我们的印象中,水和金属是完全不相干的两类物体,但一项发表于《自然》的研究却让两者产生了奇妙的联系。通过一个巧妙的实验设计,研究团队突破了极端压力的技术限制,在实验室制造出 " 金属水 "。

编译 | 王怡博

审校 | 吴非

纯水无疑是几乎完美的绝缘体——可以说,在我们的印象中,水是与导电的金属 " 绝缘 " 的。但事实上,包括水在内,很多物体在足够大的压力条件下,都可以转化成导体,从而呈现特殊的金属性质——在高压下,原子或分子被挤压并共用电子,这些自由移动的电子就让绝缘材料拥有了导电性

但问题是,这个转变过程需要的压力非常高。对于纯水而言,需要在 4800 万个大气压下,它们才有可能转化为导体。的确,这样的极端压力可以存在于大质量行星的内部。例如,科学家预测,在太阳系行星中,只有木星内部的压力足以让水金属化。但在地球的实验室里,如此高的压力显然是无法企及的。根据近期的研究结果,目前最高的实验压力也只能使纯水呈现超离子态,具备质子导电性;但不能呈现出具备电子导电性的金属态。

纯水的金属化

不过,就在近期发表于《自然》杂志的一项研究中,一支国际合作团队另辟蹊径,他们绕开了高压条件,首次在实验室里使原本绝缘的纯水转变成金属

在纯水中,水分子由氢键连接,因此其价电子稳定,不易移动。为了产生能移动的自由电子,研究团队想到了一个方案——向碱金属 " 借 " 电子

我们都知道,由锂、钠、钾、铷、铯和钫组成的碱金属家族很容易丢失最外层唯一的一个电子。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。

这个方案听起来并不复杂,但要实现这一点,首先要解决的就是碱金属遇水爆炸的问题。中学化学课本就已经介绍过,钠等碱金属投入水中之后,会立即燃烧、发生爆炸性的化学反应。对此,研究团队的解决思路是,不再简单地将碱金属扔进水里,而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。

为了实现这一目标,研究团队选用的是碱金属钠、钾的合金,这种合金在室温下呈液态。他们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。而整个实验装置中的水蒸气压力只有 10-4 mbar,相当于 10-7 个大气压。

碱金属的电子迁移

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,些自由电子就能在水分子内形成导带。而确保这一反应持续进行的关键因素在于,电子和离子的迁移速率需要远远高于水分子层在合金表面沉积的速率,从而抑制碱金属与水之间激烈的化学反应。

在实验容器内,碱金属液滴在吸附了水分子之后,出现了一系列精彩绝伦的变化。纯的钠钾合金液滴呈银色,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——这样的金属光泽很可能是水中的自由电子反射可见光而产生的。随后,伴随着水分子吸附层的增长,液滴依次呈现出深红褐色、紫色或蓝色、白色,最终失去其金属光泽。整个过程持续 10 秒,液滴逐渐长大,当直径约 5 毫米时便从注射器口滴落下来,新的液滴随之源源不断地流出。

液滴表面的水分子向金属态转化并呈现闪亮的金属光泽的实验录像。图片来源:Philip E. Mason

金属水的谱学特征

当然,对于研究团队来说,肉眼观察到金属光泽只是第一步,他们还需要通过现代仪器证明这一点。得益于水中自由移动的电子,金属水能维持长达几秒的时间,这足以使研究人员借助谱学手段证实水分子吸附层的金属性。其中,他们在反射光谱中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。

这项新的研究成果突破了极端压力的条件限制,使在地球上制备金属水成为可能。论文的通讯作者 Pavel Jungwirth 表示,观察到金属水是他的学术生涯的高光时刻。牛津大学的化学家 Peter Edwards 评论称,此研究工作是重要的科学进展,这突破了人类对于水的认知:谁能想到水还能呈现金色的金属光泽呢?

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