El agua solo desarrolla propiedades metálicas bajo presión extrema, como las de las profundidades de los grandes planetas. Pero un nuevo enfoque ha permitido producirla en condiciones terrestres.
Dentro de una cámara de vacío, los investigadores expusieron una gota de aleación de sodio y potasio a una pequeña cantidad de vapor de agua, que comienza a condensarse en su superficie. Los electrones liberados del metal alcalino se disuelven en la capa de agua de la superficie más rápido que la reacción química que provoca la explosión. Hay un número suficiente de ellos para superar el límite crítico para la formación de una banda de conducción y así dar lugar a una solución acuosa metálica. La investigación se publica en Nature.
Todos los niños saben que el agua conduce la electricidad, pero esto se refiere al agua cotidiana “normal” que contiene sales. El agua pura y destilada, por otro lado, es un aislante casi perfecto. Consiste en moléculas de H2O que están unidas entre sí a través de enlaces de hidrógeno. Los electrones de valencia permanecen unidos y no son móviles. Para crear una banda de conducción con electrones en movimiento libre, el agua tendría que estar presurizada hasta tal punto que los orbitales de los electrones externos se superpongan. Sin embargo, un cálculo muestra que esta presión solo está presente en el núcleo de grandes planetas como Júpiter.
Una colaboración internacional de 15 científicos de once instituciones de investigación ha utilizado un enfoque completamente diferente para producir una solución acuosa con propiedades metálicas por primera vez y documentó esta transición de fase en el sincrotrón alemán BESSY II. Para hacer esto, experimentaron con metales alcalinos, que liberan su electrón externo con mucha facilidad.
Sin embargo, se sabe que la química entre los metales alcalinos y el agua es explosiva. El sodio u otros metales alcalinos comienzan a arder inmediatamente en el agua. Pero el equipo encontró una manera de mantener esta química violenta bajo control: no arrojaron un trozo de metal alcalino al agua, sino que lo hicieron al revés: pusieron un poquito de agua en una gota de metal alcalino, un aleación de sodio-potasio (Na-K), que es líquida a temperatura ambiente.
En BESSY II, establecieron el experimento en la cámara de muestras de alto vacío SOL3PES en la línea de luz U49/2. La cámara de muestra contiene una boquilla fina de la que gotea la aleación líquida de Na-K. La gota de plata crece durante unos 10 segundos hasta que se desprende de la boquilla. A medida que la gota crece, algo de vapor de agua fluye hacia la cámara de muestra y forma una piel extremadamente delgada en la superficie de la gota, solo unas pocas capas de moléculas de agua. Esto casi inmediatamente hace que los electrones, así como los cationes metálicos, se disuelvan de la aleación alcalina en el agua. Los electrones liberados en el agua se comportan como electrones libres en una banda de conducción.
“¡Se puede ver la transición de fase a agua metálica a simple vista! La gota plateada de sodio y potasio se cubre con un brillo dorado, que es muy impresionante”, informa en un comunicado el doctor Robert Seidel, quien supervisó los experimentos en BESSY II. La fina capa de agua metálica de color dorado permanece visible durante unos segundos. Esto permitió al equipo dirigido por el profesor Pavel Jungwirth, de la Academia Checa de Ciencias, demostrar con análisis espectroscópicos en BESSY II y en el IOCB en Praga que de hecho es agua en un estado metálico.
Las dos huellas dactilares decisivas de una fase metálica son la frecuencia del plasmón y la banda de conducción. Los grupos pudieron determinar estas dos cantidades utilizando espectroscopia de reflexión óptica y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X sincrotrón: mientras que la frecuencia de plasmón de la ‘piel de agua’ metálica de color dorado es de aproximadamente 2,7 eV (es decir, en el rango azul de la luz visible), la banda de conducción tiene un ancho de aproximadamente 1,1 eV con un borde de Fermi afilado. “Nuestro estudio no solo muestra que en la Tierra se puede producir agua metálica, sino que también caracteriza las propiedades espectroscópicas asociadas con su hermoso brillo metálico dorado”, dice Seidel.
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