纯净水是近乎完美的绝缘体。
是的,自然界中的水可以导电,但这是因为水中含有杂质,这些杂质溶解成自由离子,使电流能够流动。 纯水只有在极高的压力下才会变成“矿物质”——具有电子导电性——这超出了我们目前实验室的生产能力。
但是,正如研究人员在 2021 年首次证明的那样,不仅仅是高压可以刺激纯水中的这种矿物质。
通过使纯水与共享电子的碱金属(在本例中是钠和钾的合金)接触,可以添加自由移动的带电粒子,将水变成金属。
由此产生的电导率仅持续几秒钟,但这是通过直接研究水的这一相而迈出的重要一步。
“你可以用肉眼看到到矿泉水的过渡阶段!” 德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心的物理学家罗伯特·赛德尔 解释 2021 年,该研究发表。
“银色的钠钾液滴自身覆盖着金色的光芒,非常令人印象深刻。”
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在足够高的压力下,理论上几乎任何材料都可以成为导体。
这个想法是,如果你将原子挤得足够紧,最外层电子的轨道将开始重叠,从而使它们能够移动。 对于水来说,这个压力约为 48 兆巴,略低于海平面地球大气压的 4800 万倍。
虽然实验室环境中已经产生了超过此压力的压力,但此类实验不适合研究矿泉水。 因此,由捷克科学院有机化学家 Pavel Jungwirth 领导的研究小组转向碱金属。
这些材料非常容易释放最外层的电子,这意味着它们可以诱导纯高压水的电子共享特性,而无需高压。
只有一个问题:碱金属与液态水发生剧烈反应,有时甚至达到爆炸的程度(有…… 下面的视频真的很酷)。
将金属放入水中,就会发出轰隆声。
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研究小组找到了一个非常酷的方法来解决这个问题。 如果将水添加到金属中而不是将金属添加到水中会怎么样?
在真空室中,研究小组首先从喷嘴中喷射出一小滴钠钾合金,该合金在室温下为液体,然后使用气相沉积非常小心地添加一层薄薄的纯水。
接触后,电子和金属阳离子(带正电的离子)从合金中流入水中。
这不仅使水呈现出金色光泽,而且使水具有导电性——就像我们在高压下的纯矿泉水中看到的那样。
使用光学反射光谱和同步加速器X射线光谱证实了这一点。
金色光泽和导电条这两个特征占据了两个不同的频段,这使得它们能够被清楚地识别。
除了让我们更好地了解地球上的这种相变之外,这项研究还可以让我们更深入地研究大型行星内部的极端高压条件。
例如,在太阳系的冰冷行星海王星和天王星中,液态金属氢被认为在漩涡中旋转。 木星是唯一一颗被认为压力足以使纯净水矿化的行星。
能够复制太阳系巨行星内部的条件的前景确实令人兴奋。
“我们的研究不仅表明矿泉水确实可以在地球上生产,而且还表征了与其美丽的金色金属光泽相关的光谱特性。” 塞德尔说。
该研究发表于 自然。
本文的先前版本于 2021 年 7 月发布。
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