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Physik

Metallisches Wasser erzeugt

Links ist ein Tropfen einer Natrium-Kalium-Legierung zu sehen, rechts der Tropfen mit einer Wasserschicht, in der sich Elektronen aus dem Metall gelöst haben, was ihm einen goldenen Metallglanz verleiht. (Künstlerische Darstellung: Tomáš Belloň / IOCB Prag)

Ein goldener Schimmer zeigt den Effekt an: Durch eine raffinierte Methode ist es Forschern gelungen, einer Wasserschicht auch ohne gigantischen Druck metallische Merkmale zu verpassen. In einem Wasserhäutchen auf einem Tropfen flüssigen Alkalimetalls entsteht dabei ein Leitungsband mit beweglichen Elektronen, erklären die Wissenschaftler.

Es ist das berühmte Markenzeichen der Metalle: Sie besitzen eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die auf der lockeren Bindung ihrer Elektronen beruht. Die Ladungsträger können sich dadurch in den Gittern aus Metallatomen frei bewegen – es bildet sich ein sogenanntes Leitungsband mit mobilen Elektronen. Bei reinem Wasser ist das normalerweise nicht der Fall – es ist dadurch ein starker Isolator. Denn bei den H2O-Molekülen, die über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander locker vernetzt sind, bleiben die Elektronen fest gebunden.

Zumindest theoretisch lässt sich das jedoch ändern: Man müsste Wasser dazu so stark unter Druck setzen, dass sich die Orbitale der Außenelektronen überlappen. Dadurch würde dann ein Leitungsband mit frei beweglichen Elektronen entstehen, das dem Wasser eine elektrische Leitfähigkeit vergleichbar mit der von Kupfer verschafft. Doch Berechnungen zufolge ist dazu ein gigantischer Druck nötig: 50 Megabar – etwa 50 Millionen Mal mehr als auf der Erdoberfläche. Solche Bedingungen herrschen nur im Inneren von großen Planeten wie Jupiter – experimentell lassen sie sich bisher nicht herstellen. Doch nun ist es einem internationalen Forscherteam offenbar gelungen, metallisches Wasser auch ohne Megadruck zu erzeugen.

Alkalimetall spendet Ladungsträger

Die Grundlage bildet dabei eine Übertragung von Elektronen auf einen Wasserfilm. Sie stammen aus Alkalimetallen, die ihr äußeres Elektron sehr leicht abgeben. Zur Verwirklichung dieses Konzepts mussten die Wissenschaftler allerdings ein „bombiges“ Problem überwinden, das bei der Kombination von Alkalimetallen und Wasser auftreten kann: „Natrium in Wasser zu werfen, ist ein beliebtes Schulexperiment: Es kommt zu einer heftigen Explosion“, sagt Seniorautor Pavel Jungwirth von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag. „Um diese intensive und für Laborzwecke problematische Reaktion einzudämmen, sind wir den umgekehrten Weg gegangen: Statt das Alkalimetall ins Wasser einzubringen, haben wir das Wasser zum Metall gegeben“, sagt Jungwirth.

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Das Metall hatte dabei die Form eines Tropfens: Die Forscher nutzten eine Natrium-Kalium-Legierung, die bei Raumtemperatur flüssig ist. Die Experimente wurden in einer Hochvakuum-Probenkammer am BESSY II in Berlin durchgeführt. Darin befand sich eine feine Düse, aus der die flüssige Na-K-Legierung tropfte. Der silberne Tropfen wuchs dabei etwa zehn Sekunden lang an, bis er sich von der Düse löste. Währenddessen, leiteten die Wissenschaftler Wasserdampf in die Probenkammer. Dadurch bildete sich an der Oberfläche des Tropfens eine dünne Wasserschicht, die aus nur wenigen Lagen von Molekülen bestand.

Erfolg mit goldenem Schimmer

Wie die Forscher erklären, wanderten dabei Metall-Ionen und vor allem Elektronen aus der Alkali-Legierung ins Wasser ein. Dort erzeugten sie dann einen Effekt wie die freien Elektronen in einem Leitungsband von Metallen. „Man sieht den Phasenübergang zum metallischen Wasser mit bloßem Auge! Der silbrige Natrium-Kalium-Tropfen überzieht sich mit einem goldenen Schimmer, das ist sehr eindrucksvoll“, berichtet Co-Autor Robert Seidel vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. Die dünne Schicht aus goldfarbenem metallischem Wasser war anschließend einige Sekunden lang zu sehen. Dadurch ließ sie sich untersuchen und so konnten die Forscher die metallischen Merkmale auch bestätigen.

Wie sie erklären, sind die beiden entscheidenden Signaturen einer metallischen Phase die sogenannte Plasmonenfrequenz sowie bestimmte Effekte des Leitungsbands. Diese beiden Größen konnten die Wissenschaftler durch optische Reflexionsspektroskopie und Synchrotron-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie ermitteln. So konnten sie nachweisen, dass es sich tatsächlich um Wasser in einem metallischen Zustand handelt. „Unsere Studie zeigt nicht nur, dass metallisches Wasser tatsächlich auf der Erde hergestellt werden kann, sondern charakterisiert auch die spektroskopischen Eigenschaften, die mit seinem schönen goldenen Metallglanz verbunden sind“, sagt Seidel abschließend.


(Video Credit: Phil Mason / IOCB Prague)

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Tschechische Akademie der Wissenschaften, Fachartikel: Nature, doi: 10.1038/s41586-021-03646-5

 

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