科学家们成功地将纯水由绝缘体转变成金属态

要如何不在极高压之下，让水相变化为金属态呢？

金属态的金色水滴

纯水是一种几乎完美的绝缘体。 而虽然大自然中的水会导电，但那是因为里头有杂质，这些杂质溶解后成为自由离子，能够产生电流。 纯水只有在极度高压下才会变得「具金属性」，也就是能够导电，但是以目前的技术，并无法在实验室产生如此的高压。

但是，就如同研究人员首次展示出的一样，并不是只有高压可以诱导出纯水中的金属性。 藉由使纯水与会共享电子的碱金属（alkali metal）接触，比如本次研究中所使用的钠钾合金，自由移动的带电粒子就能够进到水中，将水转成金属态。

产生的导电性虽然仅能持续几秒钟，但是这已经是很大的一项进展，能够让科学家经由直接研究来了解这个相态的水。 德国亥姆霍兹-柏林联邦材料与能源研究所（Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie）的物理学家罗伯· 塞德尔博士（Robert Seidel）说：「你可以直接透过肉眼看到成为金属态水的相变化过程！ 银色的钠钾液滴自身被金色的光泽覆盖，非常地令人惊艳。 」

理论与实验结果

理论上，在足够高的压力之下，几乎任何材料都能够导电。 想法是这样子的：若是将原子挤压在一起够紧的话，外层原子的轨道会开始重叠，让它们可以四处移动。 对水而言，这个压力大约为4800万巴（bar），这大约是地球海平面大气压力的4800万倍。

虽然超过这样的压力曾经在实验室中被制造出来过，但是那样的实验并不适于研究金属态水。 所以，一群由捷克科学院（Czech Academy of Sciences）的有机化学家帕维尔· 扬薇特博士（Pavel Jungwirth）所领导的研究团队就转向了碱金属。

碱金属非常容易释放它们的外层电子，这表示它们可以在没有高压的情况下，诱导出高压纯水的共享电子性质。 只有一个问题：碱金属很容易跟液态水反应，有时候甚至是到会爆炸的程度。 如果将一块碱金属丢到水中，你会听到爆炸声。

研究团队发现了一个非常妙的方法来解决这个问题。 要是，不是将金属加到水中，还是将水加到金属中呢？ 在一个真空腔中，研究团队从一个喷嘴中挤压出一颗小球状的钠钾合金，其在室温下为液态。 接着，研究人员使用气相沉积法，非常小心地将一层纯水薄膜加到合金上。

当两者一接触，电子与金属阳离子（带正电的离子）从合金上流向水。 这不仅为水带来了金色光芒，也让水变得具导电性，正如同我们在高压下，在金属态纯水中应该要看到的，而借由使用光学反射显微镜（optical reflection spectroscopy）以及同步加速X光光电子显微镜（synchrotron X-ray photoelectron spectroscopy），科学家得以进行确认。 这两项性质，也就是金色光泽与传导带，因为分属于两个不同的频率范围，因此能够清楚地被辨识出来。

研究貢獻
除了讓我們在地球上更加了解這個相變化以外，此研究也能夠讓我們更近地研究巨大星球內部的極高壓狀態。比方說，在太陽系的冰凍星球－海王星（Neptune）與天王星（Uranus）中，被認為有液態的金屬性氫在旋轉著；而且，也只有被認為壓力夠高的木星，能夠金屬化純水。

除了让我们在地球上更加了解这个相变化以外，此研究也能够让我们更近地研究巨大星球内部的极高压状态。 比方说，在太阳系的冰冻星球-海王星（Neptune）与天王星（Uranus）中，被认为有液态的金属性氢在旋转着;而且，也只有被认为压力够高的木星，能够金属化纯水。

能夠複製我們太陽系中的巨大行星狀態的前景的確是非常令人興奮。塞德爾博士說：「我們的研究不僅顯示出金屬態的水的確可以在地球上被製造，而且亦描述了與其美麗的金色金屬光澤相關的光譜性質。」

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參考資料：

Starr, M., (2021, July 29). Scientists Have Transformed Pure Water into a Metal. ScienceAlert
Castelvecchi, D., (2021, July 28). Water transformed into shiny, golden metal. Nature. doi.org/10.1038/d41586-021-02065-w
圖片來源：https://www.sciencealert.com/scientists-have-found-a-new-way-to-turn-water-metallic（圖：Philip E. Mason）

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