Το καθαρό νερό είναι σχεδόν τέλειος μονωτήρας.
Ναι, το νερό που βρίσκεται στη φύση άγει ηλεκτρισμό – αλλά αυτό οφείλεται στις ακαθαρσίες που περιέχει, οι οποίες διαλύονται σε ελεύθερα ιόντα που επιτρέπουν σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα να ρέει. Το καθαρό νερό γίνεται «μεταλλικό» – ηλεκτρονικά αγώγιμο – μόνο σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, πέρα από τις τρέχουσες ικανότητές μας να παράγουμε σε εργαστήριο.
Όμως, όπως έδειξαν οι ερευνητές για πρώτη φορά το 2021, δεν είναι μόνο οι υψηλές πιέσεις που μπορούν να προκαλέσουν αυτή τη μεταλλικότητα σε καθαρό νερό.
Φέρνοντας το καθαρό νερό σε επαφή με ένα μέταλλο αλκαλίου που μοιράζεται ηλεκτρονικά – σε αυτή την περίπτωση ένα κράμα νατρίου και καλίου – μπορούν να προστεθούν ελεύθερα κινούμενα φορτισμένα σωματίδια, μετατρέποντας το νερό μεταλλικό.
Η προκύπτουσα αγωγιμότητα διαρκεί μόνο λίγα δευτερόλεπτα, αλλά είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της κατανόησης αυτής της φάσης του νερού μελετώντας την απευθείας.
“Μπορείτε να δείτε τη μετάβαση φάσης σε μεταλλικό νερό με γυμνό μάτι!” Ο φυσικός Robert Seidel από το Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie στη Γερμανία εξήγησε το 2021 όταν δημοσιεύτηκε η έρευνα.
«Η ασημένια σταγόνα νατρίου-καλίου καλύπτει τον εαυτό της με μια χρυσή λάμψη, η οποία είναι πολύ εντυπωσιακή».
Κάτω από αρκετά υψηλές πιέσεις, σχεδόν οποιοδήποτε υλικό θα μπορούσε θεωρητικά να γίνει αγώγιμο.
Η ιδέα είναι ότι εάν πιέσετε τα άτομα μεταξύ τους αρκετά σφιχτά, τα τροχιακά των εξωτερικών ηλεκτρονίων θα αρχίσουν να επικαλύπτονται, επιτρέποντάς τους να κινούνται. Για το νερό, αυτή η πίεση είναι περίπου 48 megabars – λίγο λιγότερο από 48 εκατομμύρια φορές την ατμοσφαιρική πίεση της Γης στο επίπεδο της θάλασσας.
Ενώ έχουν δημιουργηθεί πιέσεις που υπερβαίνουν αυτό σε εργαστηριακό περιβάλλον , τέτοια πειράματα θα ήταν ακατάλληλα για τη μελέτη μεταλλικού νερού. Έτσι, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον οργανικό χημικό Pavel Jungwirth της Τσεχικής Ακαδημίας Επιστημών στην Τσεχία στράφηκε στα αλκαλικά μέταλλα.
Αυτές οι ουσίες απελευθερώνουν τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια πολύ εύκολα, πράγμα που σημαίνει ότι θα μπορούσαν να προκαλέσουν τις ιδιότητες κοινής χρήσης ηλεκτρονίων του καθαρού νερού υψηλής πίεσης χωρίς τις υψηλές πιέσεις.
Υπάρχει μόνο ένα πρόβλημα: τα αλκαλικά μέταλλα αντιδρούν σε μεγάλο βαθμό με το υγρό νερό, μερικές φορές ακόμη και σε σημείο εκρηκτικότητας (υπάρχει ένα πολύ ωραίο βίντεο παρακάτω ).
Ρίξτε το μέταλλο στο νερό και θα πάρετε ένα kaboom.
Η ερευνητική ομάδα βρήκε έναν πολύ καλό τρόπο για να λύσει αυτό το πρόβλημα. Τι θα γινόταν αν, αντί να προστεθεί το μέταλλο στο νερό, προστέθηκε νερό στο μέταλλο;
Σε έναν θάλαμο κενού, η ομάδα ξεκίνησε με εξώθηση από ένα ακροφύσιο μιας μικρής σταγόνας κράματος νατρίου-καλίου, που είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου, και προσέθεσε πολύ προσεκτικά μια λεπτή μεμβράνη καθαρού νερού χρησιμοποιώντας εναπόθεση ατμού.
Κατά την επαφή, τα ηλεκτρόνια και τα μεταλλικά κατιόντα (θετικά φορτισμένα ιόντα) έρεαν στο νερό από το κράμα.
Όχι μόνο αυτό έδωσε στο νερό μια χρυσαφένια λάμψη, αλλά έκανε το νερό αγώγιμο – όπως ακριβώς θα πρέπει να δούμε στο μεταλλικό καθαρό νερό σε υψηλή πίεση.
Αυτό επιβεβαιώθηκε χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία οπτικής ανάκλασης και φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ συγχρονών.
Οι δύο ιδιότητες – η χρυσή γυαλάδα και η αγώγιμη ζώνη – καταλάμβαναν δύο διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων, γεγονός που τους επέτρεψε να αναγνωριστούν και οι δύο με σαφήνεια.
Εκτός από το να μας δώσει μια καλύτερη κατανόηση αυτής της μετάβασης φάσης εδώ στη Γη, η έρευνα θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει μια προσεκτική μελέτη ακραίων συνθηκών υψηλής πίεσης μέσα σε μεγάλους πλανήτες.
Στους πλανήτες πάγου του Ηλιακού Συστήματος, τον Ποσειδώνα και τον Ουρανό , για παράδειγμα, θεωρείται ότι στροβιλίζεται υγρό μεταλλικό υδρογόνο. Και είναι μόνο ο Δίας στον οποίο οι πιέσεις πιστεύεται ότι είναι αρκετά υψηλές για να μεταλλοποιήσουν το καθαρό νερό.
Η προοπτική να μπορέσουμε να αναπαράγουμε τις συνθήκες μέσα στον πλανητικό κολοσσό του Ηλιακού μας Συστήματος είναι πράγματι συναρπαστική.
“Η μελέτη μας όχι μόνο δείχνει ότι το μεταλλικό νερό μπορεί πράγματι να παραχθεί στη Γη, αλλά χαρακτηρίζει επίσης τις φασματοσκοπικές ιδιότητες που σχετίζονται με την όμορφη χρυσή μεταλλική λάμψη του”, είπε ο Seidel .