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太神奇!他们竟然把水变成了金属

发布日期:2021年08月12日    浏览次数:688    关键字: 资讯 新闻

近期发表于《自然》杂志的一项研究中,一支国际合作团队首次在实验室里使原本绝缘的纯水转变成金属。
 
  首先我们需要明确一下水能导电和纯水绝缘的原理和概念。
 
  通常来说,我们会有水能导电的常识,但是在科学意义上,水是绝缘体。能够导电的水,是是日常生活中我们接触的水,如自来水和江河湖水等,这些水里有大量的离子和杂质,所以电阻低,会表现展现导电性。而水本身电离程度很低,几乎没有可自由移动的正负离子,因此并不导电。
 
  换句话说,越是纯净的水,越不导电。如果一定要水导电,则需要对水施加4800万个大气压,它们才有可能转化为导体。但这是我们目前实验室无法达成的实验条件。
 
  研究团队另辟蹊径,绕开了高压条件,想到了向碱金属“借”电子的奇妙方案。
 
  碱金属是指在元素周期表中Ⅰ[**]族除氢(H)外的六个金属元素,即锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)、钫(Fr),他们均有一个属于s轨道的最外层电子,极易丢失。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。
 
  当然,我们并不能直接将碱金属放入水中,否则就会产生剧烈化学反应。研究团队的解决思路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。研究团队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。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,这些自由电子就能在水分子内形成导带。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。
 
  研究团队借助谱学手段证实水分子吸附层的金属性。在反射光谱中,研究人员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。
 
  这项实验突破了我们对水的认知,也许对将来制造液体金属会有一定的借鉴意义。
 
  参考论文
 
  [**]rticle丨Published: 28 July 2021
 
  Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution
 
  Philip E. Mason, H. Christian Schewe, Tillmann Buttersack, Vojtech Kostal, Marco Vitek, Ryan S. McMullen, Hebatallah [**]li, Florian Trinter, Chin Lee, Daniel M. Neumark, Stephan Thürmer, Robert Seidel, Bernd Winter, Stephen E. Bradforth & Pavel Jungwirth
 
  Nature volume 595, pages 673–676 (2021)

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