水:给我一点电子,我将闪瞎整个实验室


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水 , 能导电吗?
从理论上讲 , 只要施加足够大的压力 , 大多数绝缘材料都能变成金属 。当原子或分子被紧紧地束缚在一起时 , 它们可以共享外层的电子 , 使这些外层电子就像一个铜块或铁块等金属块中的电子那样自由移动 , 从而导电 。
在正常条件下 , 纯净的蒸馏水几乎是完美的绝缘体 。不过之前已经有研究预测 , 当处于极端的压力下时 , 水也会产生金属性质 , 成为一种闪耀着金属光芒的“金属水” 。科学家认为 , 只有像在木星、海王星、天王星这类大质量行星或恒星的中心 , 才有可能存在这种金属状态的水 。
然而 , 以增压的方式将水变成金属所需的压强大约为48兆巴(即1500万大气压) , 这超出了目前实验室技术所能达到的 。而且根据最近的一些计算和实验表明 , 在实验室所能达到的压力下 , 水最多只能成为具有高质子导电性的超离子导体 , 而不是真的能通过电子导电的金属水 。
现在 , 一个由来自11个研究机构的15名科学家组成的国际研究团队通过使用一种完全不需要高压的方法 , 首次产生了具有金属性质的水 。他们的想法是向碱金属“借”用电子——通过在共享电子的碱金属合金周围形成一层薄薄的水 , 实现了这一壮举 。他们详细地记录了这一相变过程成 , 并将研究结果发表在了最近的《自然》杂志上 。
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碱金属是元素周期表中的第一组元素 , 钠、钾等元素都属于碱金属元素 。这组元素的化学性质非常活泼 , 它们倾向于“给出”最外层的电子 。一年前 , 新论文的通讯作者Pavel Jungwirth与第一作者Phil Mason曾领导一个团队进行过一个实验 , 他们通过向碱金属“借用”电子 , 将液态氨转变成了具有高浓度溶剂化电子的可发光状态 。
在新实验中 , 他们想利用同样的方法将水也变成这样的状态 。然而 , 这面临一个巨大的挑战——碱金属在和水接触时会产生非常剧烈的化学反应 , 有可能引发爆炸 。如钠一类的碱金属遇水可能会立即开始燃烧 , 这种爆炸使得研究人员只能制备出具有低亚金属电子浓度的水溶液 。为了避免如此“暴力”的化学反应 , 研究人员通过设计一个新颖的实验装置成功地绕开了这一难题 。
在新的实验设置中 , 与其将碱金属置入水中 , 研究人员选择将少量的水滴在碱金属上 。他们选择的碱金属是一种钠钾(Na-K)合金 , 这种合金在室温下是液态的 。
实验在一个高真空样品室中进行 , 样品室包含一个精细的喷嘴 。银色的液态钠钾合金会从喷嘴中滴下 , 在钠钾合金液滴脱离喷嘴之前 , 会先增长大约10秒钟的时间 。
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【水:给我一点电子,我将闪瞎整个实验室】在液滴的增长过程中 , 一些水蒸气会被注入到样本室里 , 使得钠钾合金被暴露在少量的水蒸气中 。水会凝结在钠钾合金液滴上 , 并形成一层只有几个水分子厚的极薄的表皮 。钠钾合金液滴中的电子和金属阳离子会立即扩散到水中 , 这些释放在水中的带电粒子的行为就像金属块中的自由电子一样 。