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L’acqua come un metallo

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In condizioni normali, l’acqua pura è un isolante quasi perfetto. L’acqua sviluppa proprietà metalliche solo in condizioni di estrema pressione, come quelle presenti nelle profondità dei grandi pianeti.

Ora, una collaborazione internazionale ha utilizzato un approccio completamente diverso per produrre acqua metallica e ha documentato la transizione di fase a BESSY II. Lo studio è stato pubblicato su Nature.

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Ogni bambino sa che l’acqua conduce elettricità, ma questo si riferisce all’acqua “normale” di tutti i giorni che contiene sali.

L’acqua pura e distillata, d’altra parte, è un isolante quasi perfetto. È costituito da molecole di H2O che sono collegate tra loro in modo lasco tramite legami a idrogeno. Gli elettroni di valenza rimangono legati e non sono mobili.

Per creare una banda di conduzione con elettroni in movimento libero, l’acqua dovrebbe essere pressurizzata in misura tale da sovrapporre gli orbitali degli elettroni esterni. Tuttavia, un calcolo mostra che questa pressione è presente solo nel nucleo di grandi pianeti come Giove.

Fornire elettroni

Una collaborazione internazionale di 15 scienziati provenienti da undici istituti di ricerca ha ora utilizzato un approccio completamente diverso per produrre per la prima volta una soluzione acquosa con proprietà metalliche e ha documentato questa transizione di fase al BESSY II. Per fare questo, hanno sperimentato con metalli alcalini, che rilasciano molto facilmente il loro elettrone esterno.

Evitare l’esplosione

Tuttavia, la chimica tra i metalli alcalini e l’acqua è nota per essere esplosiva. Il sodio o altri metalli alcalini iniziano immediatamente a bruciare nell’acqua. Ma il team ha trovato un modo per tenere sotto controllo questa violenta chimica: non hanno gettato un pezzo di metallo alcalino nell’acqua, ma hanno fatto il contrario: hanno messo un po’ d’acqua su una goccia di metallo alcalino, un lega sodio-potassio (Na-K), che è liquida a temperatura ambiente.

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Acqua metallica preparata per la prima volta in condizioni terrestri
La prima immagine mostra una goccia pura di lega sodio-potassio; nelle immagini successive vediamo la goccia esposta all’azione del vapore acqueo a 10-4 mbar. Sulla goccia si forma uno strato d’acqua, in cui gli elettroni liberati dal metallo si dissolvono, conferendogli una lucentezza metallica dorata. Credito: Phil Mason / IOCB Praga

L’esperimento a BESSY II

A BESSY II, hanno allestito l’esperimento nella camera per campioni ad alto vuoto SOL 3 PES alla linea di luce U49/2.

La camera del campione contiene un ugello fine da cui gocciola la lega Na-K liquida. La goccia d’argento cresce per circa 10 secondi fino a quando non si stacca dall’ugello. Man mano che la gocciolina cresce, parte del vapore acqueo fluisce nella camera del campione e forma una pelle estremamente sottile sulla superficie della gocciolina, solo pochi strati di molecole d’acqua.

Questo fa sì che quasi immediatamente gli elettroni e i cationi metallici si dissolvano dalla lega alcalina nell’acqua. Gli elettroni rilasciati nell’acqua si comportano come elettroni liberi in una banda di conduzione.

Pelle d’acqua dorata

Puoi vedere la transizione di fase all’acqua metallica ad occhio nudo! La gocciolina argentea di sodio-potassio si ricopre di un bagliore dorato impressionante“, riferisce il dott. Robert Seidel, che ha supervisionato gli esperimenti al BESSY II.

Il sottile strato di acqua metallica color oro rimane visibile per alcuni secondi. Ciò ha consentito al team guidato dal prof. Pavel Jungwirth, dell’Accademia delle scienze di Praga, di dimostrare con analisi spettroscopiche al BESSY II e all’IOCB di Praga che si tratta effettivamente di acqua allo stato metallico.

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Impronte della fase metallica

Le due impronte decisive di una fase metallica sono la frequenza plasmonica e la banda di conduzione.

I gruppi sono stati in grado di determinare queste due quantità utilizzando la spettroscopia a riflessione ottica e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X di sincrotrone: mentre la frequenza plasmonica della “pelle d’acqua” metallica color oro è di circa 2,7 eV (cioè nella gamma blu della luce visibile) , la banda di conduzione ha un’ampiezza di circa 1,1 eV con un tagliente bordo di Fermi.

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Il nostro studio non solo mostra che l’acqua metallica può effettivamente essere prodotta sulla Terra, ma caratterizza anche le proprietà spettroscopiche associate alla sua splendida lucentezza metallica dorata“, afferma Seidel.

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