Reines Wasser ist ein nahezu perfekter Isolator.
Ja, in der Natur vorkommendes Wasser leitet Elektrizität, aber das liegt an den darin enthaltenen Verunreinigungen, die sich in freie Ionen auflösen, die den Fluss von elektrischem Strom ermöglichen. Reines Wasser wird erst bei extrem hohen Drücken, die über unsere derzeitigen Laborproduktionsmöglichkeiten hinausgehen, „mineralisch“ – elektronisch leitfähig.
Doch wie Forscher 2021 erstmals zeigten, sind es nicht nur hohe Drücke, die dieses Mineral in reinem Wasser anregen können.
Durch den Kontakt von reinem Wasser mit einem elektronenverteilenden Alkalimetall – in diesem Fall einer Legierung aus Natrium und Kalium – können frei bewegliche geladene Teilchen hinzugefügt werden, wodurch das Wasser in ein Metall umgewandelt wird.
Die daraus resultierende Leitfähigkeit hält nur wenige Sekunden an, ist aber ein wichtiger Schritt, um diese Phase des Wassers durch direkte Untersuchung zu verstehen.
„Die Übergangsphase zum Mineralwasser kann man mit bloßem Auge erkennen!“ Physiker Robert Seidel vom Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie Berlin in Deutschland erklären Im Jahr 2021, als die Studie veröffentlicht wurde.
„Der silberne Natrium-Kalium-Tropfen überzieht sich mit einem goldenen Schimmer, was sehr beeindruckend ist.“
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Unter ausreichend hohen Drücken kann theoretisch fast jedes Material zum Leiter werden.
Die Idee dahinter ist, dass, wenn man die Atome fest genug zusammendrückt, die Orbitale der äußersten Elektronen beginnen, sich zu überlappen, sodass sie sich bewegen können. Für Wasser beträgt dieser Druck etwa 48 Megabar, knapp 48 Millionen Mal den atmosphärischen Druck der Erde auf Meereshöhe.
Während in Laborumgebungen Drücke erzeugt wurden, die darüber hinausgehen, wären solche Experimente für die Untersuchung von Mineralwässern nicht geeignet. Deshalb wandte sich ein Forscherteam unter der Leitung des organischen Chemikers Pavel Jungwirth von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in der Tschechischen Republik den Alkalimetallen zu.
Diese Materialien geben ihre äußersten Elektronen sehr leicht ab, was bedeutet, dass sie die Elektronenaustauscheigenschaften von reinem Hochdruckwasser induzieren können, ohne dass hohe Drücke erforderlich sind.
Es gibt nur ein Problem: Alkalimetalle reagieren dramatisch mit flüssigem Wasser, manchmal bis zur Explosion (es gibt … Wirklich cooles Video unten).
Lassen Sie das Metall ins Wasser fallen und Sie bekommen Kaboom.
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Das Forschungsteam hat einen sehr coolen Weg gefunden, dieses Problem zu lösen. Was wäre, wenn dem Metall Wasser zugesetzt würde, anstatt dass sich das Metall dem Wasser hinzufügt?
In einer Vakuumkammer spritzte das Team zunächst einen kleinen Tropfen einer Natrium-Kalium-Legierung aus einer Düse, die bei Raumtemperatur flüssig ist, und fügte dann sehr vorsichtig durch Aufdampfen eine dünne Schicht reines Wasser hinzu.
Bei Kontakt strömten Elektronen und Metallkationen (positiv geladene Ionen) aus der Legierung in das Wasser.
Dies verlieh dem Wasser nicht nur einen goldenen Glanz, sondern machte das Wasser auch leitfähig – so, wie wir es bei reinem Mineralwasser unter hohem Druck sehen sollten.
Dies wurde mittels optischer Reflexionsspektroskopie und Synchrotron-Röntgenspektroskopie bestätigt.
Die beiden Merkmale – der goldene Glanz und der leitende Streifen – belegen zwei unterschiedliche Frequenzbänder, wodurch sie eindeutig identifiziert werden konnten.
Die Forschung könnte uns nicht nur ein besseres Verständnis dieses Phasenübergangs hier auf der Erde ermöglichen, sondern auch eine genauere Untersuchung der extremen Hochdruckbedingungen im Inneren großer Planeten ermöglichen.
Auf den Eisplaneten des Sonnensystems, Neptun und Uranus, wird beispielsweise angenommen, dass flüssiger metallischer Wasserstoff herumwirbelt. Jupiter ist der einzige Planet, auf dem der Druck vermutlich hoch genug ist, um reines Wasser zu mineralisieren.
Die Aussicht, die Bedingungen im Inneren eines riesigen Planeten in unserem Sonnensystem nachbilden zu können, ist wirklich aufregend.
„Unsere Studie zeigt nicht nur, dass auf der Erde tatsächlich Mineralwasser produziert werden kann, sondern charakterisiert auch die spektralen Eigenschaften, die mit seinem wunderschönen goldenen metallischen Glanz verbunden sind.“ Sagte Seidel.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur.
Eine frühere Version dieses Artikels wurde im Juli 2021 veröffentlicht.