En un experimento sustancial, los investigadores crean una gota dorada de agua metálica.

A la izquierda hay una gota limpia de aleación de sodio-potasio, a la derecha hay una gota con una capa acuosa donde los electrones liberados del metal se disuelven y le dan un brillo metálico dorado. Crédito: Actuación artística de Tomáš Belloň / IOCB Praga

El agua limpia no es un buen conductor eléctrico. En realidad, es un aislante eléctrico. Para conducir la electricidad, el agua debe contener, por ejemplo, sales disueltas, pero la conductividad de dicho electrolito es relativamente baja, varias veces menor que la de los metales. ¿Es posible producir agua que sea tan conductora como el alambre de cobre, por ejemplo?

Los científicos han planteado la hipótesis de que esto puede ocurrir en los núcleos de planetas grandes, donde la alta presión comprime las moléculas de agua hasta el punto en que sus capas de electrones comienzan a superponerse. En la actualidad, la creación de tal presión en la Tierra excede las capacidades humanas, por lo que se asumió que la producción de agua metálica en condiciones terrestres seguiría siendo un objetivo inalcanzable en el futuro previsible. Sin embargo, un equipo internacional de investigadores dirigido por Pavel Jungwirth del IOCB en Praga ha desarrollado un nuevo método mediante el cual lograron producir agua metálica en condiciones de superficie que tomó varios segundos. Su artículo fue publicado recientemente en Naturaleza.

Una gota de sodio-potasio aleación expuesto al vapor de agua 10-4 mbar. Se forma una capa de agua en la gota, en la que los electrones liberados del metal se disuelven y le dan un brillo metálico dorado. Crédito: Phil Mason / IOCB Praga

La idea de utilizar una presión tremenda para hacer metal a partir del agua no es nada nuevo. En principio, debería ser posible comprimir las moléculas de agua hasta el punto en que sus capas de electrones comiencen a superponerse y formen un llamado Una banda de conducción similar a la de los materiales metálicos. La presión requerida de 50 Mbar (es decir, aproximadamente 50 millones de veces la de la superficie de la tierra) se encuentra en los núcleos de los grandes planetas, pero aún no podemos lograrla en condiciones terrestres.

Disolución de electrones

El equipo de Jungwirth, en colaboración con investigadores de la Universidad del Sur de California, el Instituto Fritz Haber y otras instituciones, desarrolló recientemente un método que les permite producir agua metálica sin tener en cuenta la necesidad de alta presión. El método se basa en un estudio anterior del Grupo Pavel Jungwirth que se centró en el comportamiento de los metales alcalinos en el agua y el amoníaco líquido. Entusiastas de trabajar con soluciones de amoníaco líquido de metal alcalino que se comportan como metal en altas concentraciones, los investigadores decidieron intentar crear una banda conductora no comprimiendo moléculas de agua sino mediante la disolución masiva de los electrones liberados del metal alcalino. . Sin embargo, al hacerlo, tuvieron que superar un obstáculo fundamental: cuando se exponen al agua, los metales alcalinos explotan inmediatamente.

La primera imagen muestra una gota pura de mezcla de sodio y potasio; en las siguientes imágenes vemos una gota expuesta al vapor de agua a 10-4 mbar. Se forma una capa de agua en la gota, en la que los electrones liberados del metal se disuelven y le dan un brillo metálico dorado. Crédito: Phil Mason / IOCB Praga

“Lanzar sodio al agua es uno de los exámenes escolares más populares y el tema de muchos videos de YouTube. Como sabes, cuando arrojas un trozo de sodio al agua, no obtienes agua de metal, sino una explosión inmediata y significativa que elimina tu dispositivo “, dice Jungwirth, quien dirige el grupo IOCB Praga especializado en modelado molecular. “Para frenar esta poderosa química, que es bastante dañina para fines de laboratorio, lo abordamos al revés; en lugar de agregar metal alcalino al agua, agregamos agua al metal. “

Gota dorada de agua de metal

Dentro de la cámara de vacío, los investigadores expusieron una gota de mezcla de sodio y potasio a una pequeña cantidad de vapor de agua, que comenzó a condensarse en su superficie. Los electrones liberados del metal alcalino se disolvieron en la capa acuosa de la superficie más rápido que la reacción química que causó la explosión. Fueron suficientes para exceder el límite crítico de formación de bandas de conducción y así formar una solución metálica acuosa que contiene, además de electrones, también cationes alcalinos disueltos e hidróxido e hidrógeno formados químicamente.

Gota pura de mezcla de sodio y potasio. Crédito: Phil Mason / IOCB Praga

“Esto nos permitió crear una fina capa de agua de metal de color dorado que tomó varios segundos, y fue suficiente para verla con nuestros propios ojos y también medir con espectrómetros”, dice Jungwirth, y agrega: “Reservamos más o menos lo necesario equipo en un pequeño laboratorio del Instituto de Praga, se realizaron primeras pruebas. Luego obtuvimos evidencia clave de la presencia de agua metálica mediante electro espectroscopía de luz de rayos X en un sincrotrón de Berlín. “

Se expone una gota de la mezcla de sodio y potasio al vapor de agua a 10-4 mbar. Se formó una capa de agua en la gota, en la que los electrones liberados del metal se disolvieron y le dieron un brillo metálico dorado. Crédito: Phil Mason / IOCB Praga

Un estudio realizado por investigadores del IOCB en Praga y sus colegas muestra que el agua de metal se puede producir en condiciones de superficie, pero también proporciona una descripción detallada de las hermosas propiedades espectroscópicas de su hermoso metal dorado relacionadas con el brillo.

Profe. Pavel Jungwirth, Director del Grupo de Modelado Molecular de Praga del IOCB. Crédito: Tomas Bellon / IOCB Praga

Referencia: “Prueba espectroscópica para una solución de metal de color dorado”, por Philip E. Mason, H. Christian Schewe, Tillmann Buttersack, Vojtech Kostal, Marco Vitek, Ryan S. McMullen, Hebatallah Ali, Florian Trinter, Chin Lee, Daniel M. Neumark, Stephan Thürmer Robert Seidel, Bernd Winter, Stephen E. Bradforth y Pavel Jungwirth, 28 de julio de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03646-5