Ученые превратили воду в блестящий металл

При достаточном давлении можно превратить в металл все что угодно, и вода не является исключением. Однако ученым Чешской академии наук в Праге удалось превратить жидкую воду в металлическое состояние, похожее на бронзу, не прибегая к чудовищному давлению, что делает это достижение еще более впечатляющим.

Если сжать атомы и молекулы достаточно плотно, они могут настолько сжаться в свою решетку, что начинают делиться своими внешними электронами, позволяя им перемещаться и, по сути, проводить электричество, как это происходит в медной проволоке. Так, в 2020 году французские ученые превратили самый простой газ во Вселенной, водород, в металл, исполнив предсказание, сделанное в 1935 году лауреатами Нобелевской премии Юджином Вигнером и Хиллардом Белл Хантингтоном. Металлический водород, по сути, является сверхпроводником, то есть проводит электричество с нулевым электрическим сопротивлением.

Для этого французские исследователи подвергли водород ошеломляющему давлению в 425 гигапаскалей, что более чем в четыре миллиона раз превышает давление на поверхности Земли и даже выше, чем во внутреннем ядре планеты. Поэтому металлический водород невозможно найти на Земле, хотя его вполне можно найти на Юпитере и Сатурне, которые состоят в основном из газообразного водорода и имеют более высокое внутреннее давление, чем Земля. Аналогичным образом, считается, что на Нептуне и Уране вода находится в металлическом состоянии благодаря огромному давлению.

При таком же подходе для превращения воды в металл потребуется 15 миллионов бар давления, что более чем в три раза превышает потребность в металлическом водороде. Это просто вне досягаемости нашей нынешней технологии. Однако, возможно, существует другой способ превратить воду в металл, не сжимая ее под давлением в ядре газового гиганта, считает Павел Юнгвирт, химик-физик из Чешской академии наук в Праге.

Юнгвирт и его коллега-химик Фил Мейсон задались вопросом, можно ли заставить воду вести себя как металл, если она позаимствует электроны у щелочных металлов, которые являются высокореактивными элементами 1-й группы периодической таблицы. Эта идея пришла им в голову после того, как ранее Юнгвирт и его коллеги обнаружили, что при аналогичных условиях аммиак может стать блестящим.

Но, несмотря на готовность пойти на этот эксперимент, исследователи столкнулись с трудностями. Видите ли, щелочные металлы настолько реактивны в присутствии воды, что склонны к взрывным реакциям.

Решение заключалось в разработке экспериментальной установки, которая резко замедляла реакцию, чтобы предотвратить потенциально катастрофический взрыв.

По иронии судьбы, ключом к снижению взрывоопасности реакции вода-щелочной металл была адсорбция воды при очень низком давлении, примерно на 7000 меньше, чем на уровне моря. Эта установка гарантирует, что диффузия электронов из щелочного металла происходит быстрее, чем реакция между водой и металлами.

Исследователи наполнили шприц раствором щелочных металлов, состоящим из натрия и калия, который поместили в вакуумную камеру. Шприц был запущен дистанционно, чтобы выпустить капли смеси, которые подверглись воздействию крошечного количества водяного пара.

Вода конденсировалась в каждой капле щелочного металла, образуя над ними слой толщиной всего в одну десятую микрометра. Электроны из смеси диффундировали в воду вместе с положительными ионами металлов, придавая водному слою блестящее бронзовое свечение. Все это длилось всего пару секунд, но несмотря на это, ученые только что превратили воду в металл при комнатной температуре, что подтвердили эксперименты с синхротронами.

"Мы показали, что металлический водный раствор может быть получен путем массивного легирования электронами при реакции воды со щелочными металлами. Хотя аналогичные металлические растворы жидкого аммиака с высокой концентрацией сольватированных электронов давно известны и охарактеризованы, взрывное взаимодействие между щелочными металлами и водой до сих пор позволяло получать только водные растворы с низкой, субметаллической концентрацией электронов", — пишут авторы в журнале Nature.