是否能够产生具有金属特性的水？
水可以导电，是因为我们日常生活中的水含有电解质（盐分）。而事实上，纯净的蒸馏水几乎是电子的完美绝缘体。它由通过氢键彼此松散连接的 H2O 分子组成，价电子被束缚，不可移动。
所以，要想导电，水必须含有溶解的盐。然而，这种电解质的电导率相对较低，比金属低几个数量级！
一直以来，科学家们都很好奇，是否有可能产生像铜线一样导电的具有金属特性的水（即金属水）？答案是肯定的。
原则上，只需要将水分子压缩到它们的外层电子轨道开始重叠，就可以产生具有自由移动电子的导带。然而，只有在大型行星的核心中才可以找到压缩水分子所需要的50 Mbar （比地球表面大气压约大5000万倍！）的高压。
目前，要想在地球上产生这种压力，无疑超出了人类的极限。因此，可以预见，在陆地条件下制备金属水是一个难以实现的目标。
不需高压，首次在陆地条件下制备出金属水并观察到金属水的相变！
近日，由布拉格捷克科学院Pavel Jungwirth 教授领导的一个国际研究小组开发出新方法，能够完全避免高压，在大气环境下制备出具有金属特性的水溶液，并观察到金属水的相变！尽管整个过程只有持续几秒钟，但这是世界上首次在陆地条件下制备出金属水，绝对是里程碑的研究进展！
图1. 左边是一滴纯钠钾合金，右边是表面具有一层水分子的合金液滴。从金属中释放出的电子溶解在水里，使它呈现出金色的金属光泽。（图片：Tomáš Belloň / IOCB Prague）
研究成果以“Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution”为题，发表在国际顶级期刊《Nature》上。
新方法无需高压！灵感源自团队去年《Science》工作
新的方法源于 Pavel Jungwirth 团队早期的一项研究成果，即碱金属-液态氨溶液的启发。2020年6月5日，Pavel Jungwirth教授和南加州大学Stephen E. Bradforth教授团队在《Science》上发表了一篇关于碱金属在液氨溶液中的行为的论文。
他们发现，在高浓度下，来自碱金属的电子会被氨分子捕获，困住分子之间的间隙，产生了“溶剂化电子”。这些电子具有高反应活性，但是在液氨中稳定，并使溶液呈现出特征性的蓝色。
如果有足够的溶剂化电子，整个液体就会变成青铜色，本质上变成金属，同时保持液体状态。
图2. 随着金属浓度的增加，碱金属-氨溶液从蓝色变为青铜色。这种颜色变化标志着溶液从电解质转变为金属。来源Science
受到Science工作的启发，研究人员有了一个大胆的想法，即通过大量溶解碱金属中释放的电子，尝试创建导带来制备出金属水，以避免常规操作所需要的高压。
然而，新的方法必须克服一个基本障碍：众所周知，碱金属遇水就会立即剧烈燃烧，甚至发生爆炸。这样不仅不能得到金属水，而且燃烧或者爆炸甚至会毁坏实验设备。
逆向思维，攻破难题，创造出黄金表皮液滴
很快，研究人员找到了一种方法来控制这种剧烈的化学反应。他们没有将一块碱金属扔进水中，而是反过来，将少量的水滴在一滴钠钾 (Na-K) 合金（在室温下为液体）上。
为了达到实验目的，研究人员在高真空样品室中进行了该实验。样品室包含一个细喷嘴，液态钠钾合金从该喷嘴中滴落。银色金属液滴生长大约 10 秒，直到它从喷嘴上分离。随着液滴的生长，一些水蒸气流入样品室，在液滴表面形成极薄的皮肤，只有几层水分子。
由于从溶解在表面水层中的碱金属释放的电子比导致爆炸的化学反应更快，因此有足够数量的溶剂化电子来克服导带形成的临界极限，从而产生金属水溶液。除了电子之外，金属水溶液中还包含溶解的碱金属阳离子和化学形成的氢氧化物和氢。
图3. 金属水的相变过程。第一张图片显示的是一滴纯钠钾合金；在接下来的图像中，液滴暴露在 10-4 mBar的水蒸气作用下。在液滴上形成一层水，从金属中释放出的电子在其中溶解，使其呈现出金色的金属光泽。
“多亏了这一点，我们能够创造出一层薄薄的金色金属水溶液，虽然持续几秒钟，但是这不仅足以让我们直接用眼睛观察，还可以用光谱仪测量它。”Jungwirth 说道。然后，研究人员使用柏林同步加速器（BESSY II）上的X 射线光电子能谱分析证明它确实是处于金属状态的水，从而获得了金属水存在的关键证据。
通常，金属相的两个决定性指纹是等离子体频率和导带。研究人员使用光学反射光谱和同步加速器 X 射线光电子光谱确定了这两个量：金色金属“水皮”的等离子体频率约为 2.7 eV（即在可见光的蓝色范围内） ，导带宽度约为 1.1 eV，具有尖锐的费米边缘。
图 4. 来自光学和 X 射线光电子能谱的金属水溶液的光谱特征。
这项研究不仅表明金属水确实可以在地球上产生，而且还提供了与其美丽的金色金属光泽相关的光谱特性，具有重大的意义。
Pavel Jungwirth Group
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参考文献：
Mason, P.E., Schewe, H.C., Buttersack, T. et al. Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution. Nature 595, 673–676 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03646-5
课题组主页：
https://jungwirth.group.uochb.cz/en
来源：高分子科学前沿
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