Quando l’acqua pura si trasforma in un metallo – video

L'acqua presente in natura conduce l'elettricità, ma ciò è dovuto alle impurità al suo interno, che si dissolvono in ioni liberi che consentono il flusso di corrente elettrica. L’acqua pura diventa “metallica” – cioè elettronicamente conduttiva – solo a pressioni estremamente elevate

L’acqua pura è un isolante quasi perfetto. Sì, l’acqua presente in natura conduce l’elettricità, ma ciò è dovuto alle impurità al suo interno, che si dissolvono in ioni liberi che consentono il flusso di corrente elettrica. L’acqua pura diventa “metallica” – cioè elettronicamente conduttiva – solo a pressioni estremamente elevate, oltre le nostre attuali capacità di produzione in laboratorio.

Ma, come i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta nel 2021, non sono solo le alte pressioni che possono indurre questa metallicità nell’acqua pura.

Come l’acqua pura diventa un metallo conduttore

Mettendo l’acqua pura a contatto con un metallo alcalino che condivide elettroni – in questo caso una lega di sodio e potassio – è possibile aggiungere particelle cariche che si muovono liberamente, rendendo l’acqua metallica. La conduttività risultante dura solo pochi secondi, ma è un passo significativo verso la possibilità di comprendere questa fase dell’acqua studiandola direttamente.

Puoi vedere la transizione di fase verso l’acqua metallica ad occhio nudoha spiegato il fisico Robert Seidel dell’Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie in Germania  nel 2021 quando la ricerca è stata pubblicata. “La gocciolina argentata di sodio e potassio si ricopre di un bagliore dorato, il che è davvero impressionante“.

Sotto pressioni sufficientemente elevate, praticamente qualsiasi materiale potrebbe teoricamente diventare conduttivo. L’idea è che se si stringono abbastanza strettamente insieme gli atomi, gli orbitali degli elettroni esterni inizierano a sovrapporsi, consentendo loro di muoversi. Per l’acqua, questa pressione è di circa 48 megabar – poco meno di 48 milioni di volte la pressione atmosferica terrestre al livello del mare.

Sebbene pressioni superiori a questa siano state generate in laboratorio, tali esperimenti non sono adeguati per lo studio dell’acqua metallica. Così un team di ricercatori guidato dal chimico organico Pavel Jungwirth dell’Accademia ceca delle scienze in Repubblica Ceca si è rivolto ai metalli alcalini.

Queste sostanze rilasciano i loro elettroni esterni molto facilmente, il che significa che potrebbero indurre le proprietà di condivisione degli elettroni dell’acqua pura altamente pressurizzata senza le alte pressioni. C’è solo un problema: i metalli alcalini sono altamente reattivi con l’acqua liquida, a volte fino a generare esplosioni.

Lascia cadere il metallo nell’acqua e otterrai un’esplosione.

Il gruppo di ricerca ha trovato un modo molto ingegnoso per risolvere questo problema invertendo l’operazione.  Invece di aggiungere il metallo all’acqua hanno aggiunto acqua al metallo.

In una camera a vuoto, il team ha iniziato estrudendo da un ugello una piccola quantità di lega di sodio-potassio, che è liquida a temperatura ambiente, e ha aggiunto con molta attenzione un sottile film di acqua pura utilizzando la deposizione di vapore.

Al contatto, gli elettroni e i cationi metallici (ioni caricati positivamente) hanno iniziato a fluire nell’acqua della lega. Ciò non solo ha conferito all’acqua una lucentezza dorata, ma l’ha resa conduttiva, proprio come dovremmo vedere nell’acqua pura metallica ad alta pressione.

Ciò è stato confermato utilizzando la spettroscopia di riflessione ottica e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X di sincrotrone, infatti le due proprietà – la lucentezza dorata e la banda conduttiva – occupavano due diverse gamme di frequenza, il che ha permesso di identificarle chiaramente entrambe.

Implicazioni

Oltre a fornirci una migliore comprensione di questa transizione di fase qui sulla Terra, la ricerca potrebbe consentire anche uno studio approfondito delle condizioni di alta pressione estrema all’interno dei grandi pianeti.

Nei pianeti ghiacciati del Sistema Solare, Nettuno e Urano, ad esempio, si pensa che vi sia idrogeno metallico liquido vorticoso. E solo su Giove si ritiene che le pressioni siano sufficientemente elevate da metallizzare l’acqua pura. La prospettiva di poter replicare le condizioni all’interno del colosso planetario del nostro Sistema Solare è davvero entusiasmante.

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 bellissima lucentezza metallica dorata“, ha detto Seidel.

La ricerca è stata pubblicata su Nature.

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