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太神奇！他們竟然把水變成了金屬！
2021年08月11日 15:50:49
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：楊 點擊量：8450
近期發(fā)表于《自然》雜志的一項研究中，一支國際合作團隊首次在實驗室里使原本絕緣的純水轉(zhuǎn)變成金屬。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】點石成金早已被證實是煉金術(shù)士的異想天開。但是近日卻有消息稱，有實驗室發(fā)現(xiàn)了把水變成金屬的奧秘，甚至相關(guān)論文還發(fā)表在了《自然》科學(xué)雜志上。這是怎么回事？！讓我們一探究竟。
近期發(fā)表于《自然》雜志的一項研究中，一支國際合作團隊首次在實驗室里使原本絕緣的純水轉(zhuǎn)變成金屬。
近期發(fā)表于《自然》雜志的一項研究中，一支國際合作團隊首次在實驗室里使原本絕緣的純水轉(zhuǎn)變成金屬。
首先我們需要明確一下水能導(dǎo)電和純水絕緣的原理和概念。
通常來說，我們會有水能導(dǎo)電的常識，但是在科學(xué)意義上，水是絕緣體。能夠?qū)щ姷乃鞘侨粘Ｉ钪形覀兘佑|的水，如自來水和江河湖水等，這些水里有大量的離子和雜質(zhì)，所以電阻低，會表現(xiàn)展現(xiàn)導(dǎo)電性。而水本身電離程度很低，幾乎沒有可自由移動的正負離子，因此并不導(dǎo)電。
換句話說，越是純凈的水，越不導(dǎo)電。如果一定要水導(dǎo)電，則需要對水施加4800萬個大氣壓，它們才有可能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體。但這是我們目前實驗室無法達成的實驗條件。
研究團隊另辟蹊徑，繞開了高壓條件，想到了向堿金屬“借”電子的奇妙方案。
堿金屬是指在元素周期表中ⅠA族除氫(H)外的六個金屬元素，即鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)、鈁(Fr)，他們均有一個屬于s軌道的最外層電子，極易丟失。如果大量來自堿金屬元素外層的電子混入水分子中，這些可移動的電子就會形成導(dǎo)帶，從而使水分子具有導(dǎo)電性。
當(dāng)然，我們并不能直接將堿金屬放入水中，否則就會產(chǎn)生劇烈化學(xué)反應(yīng)。研究團隊的解決思路是將少量水分子沉積在堿金屬表面上，盡可能減少堿金屬與水的化學(xué)反應(yīng)。研究團隊將裝有鈉鉀合金液體的注射器放在一個真空容器中，在注射器的針尖處，鈉鉀合金液滴逐漸長大，最終滴落。在液滴長大的同時，研究者通過另一通道向容器中注入一定壓力的水蒸氣，其在不斷長大的液滴表面凝結(jié)、沉積，形成薄薄的吸附層。這時，吸附層的水分子就能“偷”走堿金屬的電子——換句話說，堿金屬外層電子和金屬離子向水分子內(nèi)遷移，這些自由電子就能在水分子內(nèi)形成導(dǎo)帶。當(dāng)容器內(nèi)的水蒸氣壓力達到10-4 mbar時，水分子開始在合金液滴表面吸附，此時，液滴表面會立刻變成具有金屬光澤的金色并維持大約5秒。
研究團隊借助譜學(xué)手段證實水分子吸附層的金屬性。在反射光譜中，研究人員觀察到了對應(yīng)金屬特征的吸收峰(400-600 nm)；而在同步輻射X射線光電子能譜中，無論是等離子體振動的能量(2.7 eV)還是導(dǎo)帶(1.1 eV禁帶寬度)，都呈現(xiàn)出只有金屬材料才具備的特征。這些測量結(jié)果共同說明，在這項實驗中，水的確轉(zhuǎn)變成了金屬。
這項實驗突破了我們對水的認知，也許對將來制造液體金屬會有一定的借鑒意義。
參考論文
Article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 Ali, 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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