Чистая вода — плохой проводник электричества. По сути, это электрический изолятор. Для того чтобы проводить электричество, вода должна содержать, например, растворенные соли, однако проводимость такого электролита относительно низкая, на несколько порядков ниже, чем у металлов. Можно ли производить воду с такой проводимостью, как, скажем, медная проволока?

Ученые выдвинули гипотезу, что это может происходить в ядрах больших планет, где под высоким давлением молекулы воды сжимаются до такой степени, что их электронные оболочки начинают перекрываться. В настоящее время создание такого давления на Земле превышает человеческие возможности, и поэтому предполагалось, что приготовление металлической воды в земных условиях останется недостижимой целью в обозримом будущем. Однако международная группа исследователей во главе с Павлом Юнгвиртом из IOCB в Праге разработала новый метод, с помощью которого им удалось создать металлическую воду в земных условиях, которая длилась несколько секунд. Их статья была недавно опубликована в журнале Nature.

Идея использования огромного давления для изготовления металла из воды не нова. В принципе, должно быть возможно сжимать молекулы воды до такой степени, чтобы их электронные оболочки начали перекрываться и образовывать так называемую зону проводимости, подобную той, что есть в металлических материалах. Требуемое давление в 50 мбар (т.е. примерно в 50 миллионов раз больше, чем на поверхности Земли) можно найти в ядрах больших планет, но мы еще не можем достичь его в земных условиях.

Растворение электронов

В сотрудничестве с исследователями из Университета Южной Калифорнии, Института Фрица Хабера и других институтов команда Юнгвирта недавно разработала метод, который позволил им приготовить металлическую воду, полностью исключив необходимость в высоком давлении. Этот метод основан на более ранних исследованиях группы Павла Юнгвирта, посвященных поведению щелочных металлов в воде и жидком аммиаке. Вдохновленные работой с растворами щелочного металла в жидком аммиаке, которые при высоких концентрациях ведут себя как металл, исследователи решили попытаться создать зону проводимости не за счет сжатия молекул воды, а за счет массового растворения электронов, высвобождаемых из щелочного металла. Однако при этом им пришлось преодолеть фундаментальное препятствие: при попадании в воду щелочные металлы сразу же взрываются.

«Бросать натрий в воду — один из самых популярных школьных экспериментов и тема многих видеороликов на YouTube. Как хорошо известно, когда вы бросаете кусок натрия в воду, вы получаете не металлическую воду, а немедленный и значительный взрыв», — говорит Юнгвирт, возглавляющий группу в IOCB Prague, специализирующуюся на молекулярном моделировании. «Чтобы сдержать эту интенсивную и для лабораторных целей, скорее, контрпродуктивную химию, мы подошли к ней с другой стороны; вместо того, чтобы добавлять щелочной металл в воду, мы добавляли воду к металлу».

Золотая капля металлической воды

Внутри вакуумной камеры исследователи подвергли каплю натрий-калиевого сплава небольшому количеству водяного пара, который начал конденсироваться на ее поверхности. Электроны высвобождаются из щелочного металла, растворенного в слое воды на поверхности быстрее, чем химическая реакция, которая приводит к взрыву. Их было достаточно, чтобы преодолеть критический предел для образования зоны проводимости и, таким образом, дать начало металлическому водному раствору, который помимо электронов также содержал растворенные катионы щелочных металлов и химически образованные гидроксид и водород.

«Благодаря этому мы смогли создать тонкий слой металлического водного раствора золотистого цвета, который держался несколько секунд, и этого было достаточно, чтобы мы не только увидели его собственными глазами, но и измерили его с помощью спектрометров», — говорит Юнгвирт и добавляет: «Мы более или менее установили необходимое оборудование в небольшой лаборатории нашего института в Праге, где также проводились первые эксперименты. Затем мы получили ключевые доказательства присутствия металлической воды с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на синхротроне в Берлине».

Исследование ученых из IOCB в Праге и их коллег не только показывает, что металлическая вода может быть получена в земных условиях, но также дает подробную характеристику спектроскопических свойств, связанных с ее красивым золотистым металлическим блеском.