科學家們成功地將純水由絕緣體轉變成金屬態
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：
- Starr, M., (2021, July 29). Scientists Have Transformed Pure Water into a Metal. ScienceAlert
- Castelvecchi, D., (2021, July 28). Water transformed into shiny, golden metal. Nature. doi.org/10.1038/d41586-021-02065-w
- 圖片來源：https://www.sciencealert.com/scientists-have-found-a-new-way-to-turn-water-metallic（圖：Philip E. Mason）
