小道至简，将水点到金属外貌，成绩一篇Nature

是否可以或许孕育发生具有金属特性的水？

水可以导电，是由于我们平常生存中的水含有电解质（盐分）。而究竟上，纯洁的蒸馏水险些是电子的完善绝缘体。它由通过氢键相互疏松毗连的 H2O 分子构成，价电子被束缚，不行移动。

以是，要想导电，水一定含有溶解的盐。然而，这种电解质的电导率相对较低，比金属低几个数目级！

一向以来，科学家们都很奇怪，是否有大概孕育发生像铜线一样导电的具有金属特性的水（即金属水）？答案是肯定的。

原则上，只必要将水分子压缩到它们的外层电子轨道开始重叠，就可以孕育发生具有自由移动电子的导带。然而，只有在大型行星的焦点中才可以找到压缩水分子所必要的50 Mbar （比地球外貌大气压约大5000万倍！）的高压。

现在，要想在地球上孕育发生这种压力，无疑凌驾了人类的极限。是以，可以预见，在陆地条件下制备金属水是一个难以实现的目的。

不需高压，初次在陆地条件下制备出金属水并观看到金属水的相变！

克日，由布拉格捷克科学院 Pavel Jungwirth 传授向导的一个国际研究小组开辟出新要领，可以或许完全幸免高压，在大气情况下制备出具有金属特性的水溶液，并观看到金属水的相变！只管整个历程只有连续几秒钟，但这是天下上初次在陆地条件下制备出金属水，肯定是里程碑的研究希望！

图1. 左边是一滴纯钠钾合金，右边是外貌具有一层水分子的合金液滴。从金属中开释出的电子溶解在水里，使它出现出金色的金属光芒。（图片：Tomáš Belloň / IOCB Prague）

研究结果以“Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution”为题，颁发在国际顶级期刊《Nature》上。

新要领无需高压！灵感源自团队客岁《Science》事情

新的要领源于 Pavel Jungwirth 团队早期的一项研究结果，即碱金属-液态氨溶液的开导。2020年6月5日，Pavel Jungwirth传授和南加州大学Stephen E. Bradforth传授团队在《Science》上颁发了一篇关于碱金属在液氨溶液中的举动的论文。

他们发觉，在高浓度下，来自碱金属的电子会被氨分子捕捉，困住分子之间的间隙，孕育发生了“溶剂化电子”。这些电子具有高反响活性，但是在液氨中稳健，并使溶液出现出特性性的蓝色。

假如有充足的溶剂化电子，整个液体就会酿成青铜色，素质上酿成金属，同时连结液体状态。

图2. 随着金属浓度的增添，碱金属-氨溶液从蓝色变为青铜色。这种颜色改变标记着溶液从电解质变化为金属。泉源Science

受到Science事情的开导，研究职员有了一个大胆的想法，即通过大量溶解碱金属中开释的电子，实验创建导带来制备出金属水，以幸免通例操纵所必要的高压。

然而，新的要领一定降服一个根本停滞：众所周知，碱金属遇水就会马上剧烈燃烧，乃至产生爆炸。如许不但不克不及得到金属水，并且燃烧大概爆炸乃至会破坏试验设置装备摆设。

逆向头脑，攻破困难，制造出黄金表皮液滴

很快，研究职员找到了一种要领来操纵这种剧烈的化学反响。他们没有将一块碱金属扔进水中，而是反过来，将少量的水点在一滴钠钾 (Na-K) 合金（在室温下为液体）上。

为了到达试验目标，研究职员在高真空样品室中举行了该试验。样品室包罗一个细喷嘴，液态钠钾合金从该喷嘴中滴落。银色金属液滴生长约莫 10 秒，直到它从喷嘴上分散。随着液滴的生长，一些水蒸气流入样品室，在液滴外貌形成极薄的皮肤，只有几层水分子。

因为从溶解在外貌水层中的碱金属开释的电子比导致爆炸的化学反响更快，是以有充足数目的溶剂化电子来降服导带形成的临界极限，从而孕育发生金属水溶液。除了电子之外，金属水溶液中还包罗溶解的碱金属阳离子和化学形成的氢氧化物和氢。

图3. 金属水的相变历程。第一张图片表现的是一滴纯钠钾合金；在接下来的图像中，液滴袒露在 10-4 mBar的水蒸气作用下。在液滴上形成一层水，从金属中开释出的电子在此中溶解，使其出现出金色的金属光芒。

“幸亏了这一点，我们可以或许制造出一层薄薄的金色金属水溶液，固然连续几秒钟，但是这不但足以让我们直接用眼睛观看，还可以用光谱仪丈量它。”Jungwirth 说道。然后，研究职员利用柏林同步加快器（BESSY II）上的 X 射线光电子能谱阐发证明它的确是处于金属状态的水，从而得到了金属水存在的要害证据。

通常，金属相的两个决定性指纹是等离子体频率和导带。研究职员利用光学反射光谱和同步加快器 X 射线光电子光谱确定了这两个量：金色金属“水皮”的等离子体频率约为 2.7 eV（即在可见光的蓝色范畴内） ，导带宽度约为 1.1 eV，具有锋利的费米边沿。

图 4. 来自光学和 X 射线光电子能谱的金属水溶液的光谱特性。

这项研究不但评释金属水的确可以在地球上孕育发生，并且还提供了与其漂亮的金色金属光芒相干的光谱特性，具有庞大的意义。

内容泉源：高分子科学前沿

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