Міжнародна група фізиків змогла створити п'ятиміліметрову краплю металічної води, що може проводити струм, та при цьому не потребує неймовірного тиску. Досі вважалося, що можна досягти лише протонної провідності у лабораторних умовах, однак додавання електронів змогло перетворити воду на провідник за взаємодії з лужними металами. Робота вчених опублікована у Nature.
Оновлено о 20:55: Після публікації новини в другому абзаці «дистильована вода» та «H₃O» були виправлені «чисту воду». Вода дійсно не містила сторонніх домішок, однак яким саме чином її очистили, у статті не вказали. Ми також замінили заголовок на коректний. Просимо вибачення у наших читачів.
Електрони з крапельки натрію і калію дифундують на тонкий шар води, «позолочуючи» її та даруючи провідних властивостей / Philip E. Mason
Що таке металічна вода?
Сама по собі чиста вода не може проводити струм, адже заряд там просто нічому проводити. Через відсутність сторонніх домішок вона навіть може бути перегріта вище точки кипіння або охолоджена нижче точки замерзання без фазового переходу. Тож на провідник вода перетворюється лише за умови наявності у ній домішок, які розчиненими здатні розпадатися на різнозарядові іони, різниця між якими і може підтримувати рух електронів та відповідно струм. Однак, в умовах надвеликого тиску близько 48 мегабарів, як-то у надрах великих планет чи зірок, воду можна перетворити на провідник або металічну воду. Десь у середніх шарах криги Урана чи Нептуна атоми і молекули стиснуться настільки, що почнуть «ділитися» електронами, які переноситимуть струм як це відбувається, наприклад, у міді. Втім, такий неймовірний тиск унеможливлює створення такої води у лабораторіях, у кращому випадку вона стане суперіонною з високою протонною провідністю, але не металічною з провідними електронами.
Як приготувати її у лабораторії?
Ідея дослідження до вчених прийшла не стільки з боку властивостей води або лабораторних можливостей, скільки з властивостей лужних металів — елементів першої групи періодичної системи (не рахуючи водень). Так до них входять натрій і калій, що люблять «ділитися» своїми крайніми електронами, які і могла б запозичити вода та перетворитися на провідник. Так експеримент був реалізований з натрій-калієвим сплавом, що за кімнатної температури вже починає танути зі швидкістю близько однієї краплі кожні десять секунд. Так сопло зі сплавом розмістили у вакуумній камері з регульованим фоновим тиском водяної пари до декількох сотих мілібара. Коли тиск зростав до 10⁻⁴ мілібари, вода конденсувалась на кожній краплі і утворювала шар товщиною в одну десяту мікрометра. Електрони з краплі потім швидко просочувалися у воду разом з позитивними металевими іонами, що на кілька секунд фарбувало краплю у золотий — свідчення провідних властивостей.
Весь процес тривав близько десяти секунд, за які крапля зростала до свого максимального розміру у п'ять міліметрів в діаметрів, а потім під дією сили тяжіння падала з кінця сопла, з якого потім одразу починала зростати нова. Перехід з утворенням краплі золотого кольору відтворили для «ланцюжка» з сотень крапель за умови, що тиск водяної пари підтримувався у цьому вузькому діапазоні. За ізотермою Ленгмюра, водний шар на краплі натрію калію зростає з приблизною швидкістю у 80 моношарів на секунду, тобто потовщується приблизно на 24 нанометри на секунду. Це значно кращі результати за попередні подібні експерименти, де на калії шляхом спільної адсорбції води вдалося виростити всього кілька таких моношарів, хоч і за нижчого тиску у 10⁻⁶ мілібар, але за температури у 100 кельвінів (-173,15 градуса Цельсію). Важливо зазначити, що крапля — це динамічна система, яка росте і обертається під час вимірювання. Як правило, тільки частина на її поверхні, яка і досліджується рентгенівськими променями, складається з металічного шару води, а інша частина являє собою чистий сплав натрію і калію.
Philip E. Mason
Чому золотий колір?
Річ у тім, що за відсутності водяної пари у вакуумній камері краплі натрій-калієвого сплаву матимуть сріблястий металічний блиск, а саме адсорбція води фарбує поверхневий шар у золотистий колір. Такий колір не може виникати у наслідок інтерференційних ефектів, оскільки з'являється, коли шар ще принаймні на порядок тонший за відповідну область довжин хвиль у 400-600 нанометрів. Більше того, вчені не помітили будь-якого зсуву кольору від червоного до синього, як можна було б очікувати в разі інтерференції, тож золотий колір зі своїм характерним блиском є ознакою металічного характеру водяного поверхневого шару. Тобто електрони, що вивільнилися з лужного металу у моношар води, тимчасово утворили окремі частково гідратовані електрони при відпалі, які потім вступили в реакцію з воднем і гідроксидом. І хоч обмежене енергетичне вікно не дало змоги одночасно отримувати дані про піки фотоелектронів та присутні частинки, як-то надлишкові електрони, лужні катіони та гідроксид-аніони, колір вказав на сигнал від води у фотоелектронних спектрах, а концентрація електронів становить близько 10⁻²¹ на кубічний сантиметр. Після п'яти секунд крапля вже набуває бронзового відтінку, а потім зрештою втрачає свій металічний блиск, стає пурпурно-синьою та на кінець майже білою через утворення шару гідроксиду лужного металу як продукту реакції між металом і водою.
Еволюція краплі зі змінами кольору. HZB / Nature
Як вода не вибухнула?
Уважний на уроках хімії читач може згадати, що лужні метали у взаємодії з водою набувають «вибухових» ефектів — досить кинути трошки натрію у воду, щоб сталась яскрава вибухова реакція через запалювання водню. Це хвилювало і вчених, тому використана ними установка мала якимсь чином уповільнити цей процес та не допустити вибуху. І тому вони використали мікросопло для свого експерименту. Таким чином водний шар, що утворюється на краплі розчину встигав утворитися раніше та «обрости» електронами і лужними катіонами. У майбутньому вчені розраховують вивчити детальніше еволюцію таких крапель, щоб дослідити фазовий перехід метал-електроліт і супутні хімічні перетворення. Це дослідження демонструє, що шляхом адсорбції водяної пари на краплі натрію і калію, сильна вибухова хімічна реакція може пригнітитися для візуального спостереження і спектроскопічної характеристики утвореної речовини. Таким чином можна обійтися без використання нереально високих тисків для металізації води та повторювати експерименти.