要如何不在極高壓之下,讓水相變化為金屬態呢?

金屬態的金色水滴

純水是一種幾乎完美的絕緣體。而雖然大自然中的水會導電,但那是因為裡頭有雜質,這些雜質溶解後成為自由離子,能夠產生電流。純水只有在極度高壓下才會變得「具金屬性」,也就是能夠導電,但是以目前的技術,並無法在實驗室產生如此的高壓。

但是,就如同研究人員首次展示出的一樣,並不是只有高壓可以誘導出純水中的金屬性。藉由使純水與會共用電子的鹼金屬(alkali metal)接觸,比如本次研究中所使用的鈉鉀合金,自由移動的帶電粒子就能夠進到水中,將水轉成金屬態。

產生的導電性雖然僅能持續幾秒鐘,但是這已經是很大的一項進展,能夠讓科學家經由直接研究來了解這個相態的水。德國亥姆霍茲-柏林聯邦材料與能源研究所(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie)的物理學家羅伯·塞德爾博士(Robert Seidel)說:「你可以直接透過肉眼看到成為金屬態水的相變化過程!銀色的鈉鉀液滴自身被金色的光澤覆蓋,非常地令人驚豔。」

理論與實驗結果

理論上,在足夠高的壓力之下,幾乎任何材料都能夠導電。想法是這樣子的:若是將原子擠壓在一起夠緊的話,外層原子的軌道會開始重疊,讓它們可以四處移動。對水而言,這個壓力大約為 4800 萬巴(bar),這大約是地球海平面大氣壓力的 4800 萬倍。

雖然超過這樣的壓力曾經在實驗室中被製造出來過,但是那樣的實驗並不適於研究金屬態水。所以,一群由捷克科學院(Czech Academy of Sciences)的有機化學家帕維爾·揚薇特博士(Pavel Jungwirth)所領導的研究團隊就轉向了鹼金屬。

鹼金屬非常容易釋放它們的外層電子,這表示它們可以在沒有高壓的情況下,誘導出高壓純水的共享電子性質。只有一個問題:鹼金屬很容易跟液態水反應,有時候甚至是到會爆炸的程度。如果將一塊鹼金屬丟到水中,你會聽到爆炸聲。

研究團隊發現了一個非常妙的方法來解決這個問題。要是,不是將金屬加到水中,還是將水加到金屬中呢?在一個真空腔中,研究團隊從一個噴嘴中擠壓出一顆小球狀的鈉鉀合金,其在室溫下為液態。接著,研究人員使用氣相沉積法,非常小心地將一層純水薄膜加到合金上。

當兩者一接觸,電子與金屬陽離子(帶正電的離子)從合金上流向水。這不僅為水帶來了金色光芒,也讓水變得具導電性,正如同我們在高壓下,在金屬態純水中應該要看到的,而藉由使用光學反射顯微鏡(optical reflection spectroscopy)以及同步加速 X 光光電子顯微鏡(synchrotron X-ray photoelectron spectroscopy),科學家得以進行確認。這兩項性質,也就是金色光澤與傳導帶,因為分屬於兩個不同的頻率範圍,因此能夠清楚地被辨識出來。

研究貢獻

除了讓我們在地球上更加了解這個相變化以外,此研究也能夠讓我們更近地研究巨大星球內部的極高壓狀態。比方說,在太陽系的冰凍星球-海王星(Neptune)與天王星(Uranus)中,被認為有液態的金屬性氫在旋轉著;而且,也只有被認為壓力夠高的木星,能夠金屬化純水。

能夠複製我們太陽系中的巨大行星狀態的前景的確是非常令人興奮。塞德爾博士說:「我們的研究不僅顯示出金屬態的水的確可以在地球上被製造,而且亦描述了與其美麗的金色金屬光澤相關的光譜性質。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2021, July 29). Scientists Have Transformed Pure Water into a Metal. ScienceAlert
  2. Castelvecchi, D., (2021, July 28). Water transformed into shiny, golden metal. Nature. doi.org/10.1038/d41586-021-02065-w
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/scientists-have-found-a-new-way-to-turn-water-metallic(圖:Philip E. Mason)
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