金属水！在地球上也能产生

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。

一层闪耀着金色光芒的金属水薄膜，包裹在碱金属液滴上。｜图片来源：HZB

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。

在样品室中，钠钾合金从喷嘴中滴下，随着液滴增长，水蒸气注入样品室，并在液滴表面形成一层薄薄的表皮。｜图片来源：HZB

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。

整个实验过程是在压强仅为10⁻⁴毫巴的低压状态下完成的。在这种情况下，仅凭借我们的肉眼都能观察到金属水的相变过程——覆盖在银色钠钾合金液滴上的水层闪耀着金色的光芒，这层薄薄的金色的金属水能维持几秒钟的时间。

研究人员拍摄到的一段显示金属水在钠钾合金液滴表面形成的过程。｜动图来源：Philip Mason

研究人员对其进行了光谱分析，他们利用光学反射和同步X射线光电子能谱证实了这一层水的金属特性，发现每立方厘米的水中掺杂了约5×10²¹个电子。

新的研究结果不仅表明了在地球上也能产生金属水，而且还阐明了与金属水的美丽色泽相关的光谱特征。Jungwirth在接受《自然》杂志的采访中说，看到水呈现出金色的光芒是他职业生涯的一大亮点。这无疑是一项重大的化学进展，谁能想到水也能像金属一样绽放出闪耀的光泽？这宛若发现了一种新元素。

在实验过程中，如何避免爆炸的发生并非一件易事，这对研究人员来说是一项重大的挑战。据Jungwirth介绍：“避免爆炸的关键是找到一个时间窗口，在这个时间窗口内，电子的扩散速度要比水和金属之间的反应速度更快。”研究人员在一开始时并不确定可以找到这样一个时间窗口，因此这样的观测结果令他们十分兴奋。

来源：原理

#创作团队：

文：二宗主

#参考来源：

https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=23121;sprache=en;seitenid=1

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02065-w

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03646-5

#图片来源：

封面来源：Nick Fewings / Unsplash

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