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一个“网红”,如何发表NS顶刊?

中学化学课,每当讲到碱金属(钠、钾等)可以和水剧烈反应发生爆炸时,总能激发起学生的好奇心。化学老师估计也都当众展示过把小块钠或钾扔进水里,金属融成小球,快速游动,然后伴随着爆炸声消失。捷克科学院的Philip E. Mason也是“碱金属遇水爆炸”实验的热爱者,他还录制了视频上传到视频网站,收获了不少粉丝。

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碱金属遇水。图片来源:YouTube [1]


当然,当“网红”只是他的业余爱好。他和同事们通过高速摄像机记录下碱金属与水反应的瞬间,并有了意外又有趣的发现。长期以来,人们一直认为,碱金属从水中置换出的氢气爆燃导致了爆炸。然而,Philip E. Mason等人在2015年发表的一篇Nature Chemistry 论文表明 [2],爆炸的开始阶段来自于碱金属液滴的库仑爆炸,即碱金属原子在皮秒内失去电子,形成的阳离子达到瑞利不稳定极限,由于库仑力相互排斥而发生爆炸。电子与水分子迅速形成水合电子产生的蓝紫色以及分子动力学模拟都证明了他们的观点。据说,由于爆炸的危险性,这项实验没法在实验室里做,Mason等人只得在研究所的一个阳台上完成实验,“那是人们吸烟的地方,”Mason回忆到,他们“鸠占鹊巢”还不停的搞爆炸,吸烟的人们避之不及,怨念很大……[3]

碱金属与水反应的解释。图片来源:Nat. Chem[2]


除了水以外,碱金属还可以与液氨反应,且过程相对温和。2020年,捷克科学院的Pavel Jungwirth研究团队以软X射线同步辐射作为光源,利用光电子能谱(PES),在分子水平上成功地绘制了锂、钠和钾等碱金属在液氨中的电解质-金属转变图,并计算出液氨金属行为的出现条件。该论文发表在Science 杂志上 [4],Philip E. Mason为共同一作。

金属性溶液出现及转变。图片来源:Science [4]


近日,Pavel Jungwirth团队继续碱金属相关研究,在Nature 杂志上发表论文,这位业余“网红”Philip E. Mason再次作为论文一作,论文发布的同时他也没忘了在视频网站上更新实验视频。碱金属既然可以让液氨变成金属性溶液,或许也能将水转变为“金属水”。研究者利用同步辐射X光电子能谱,观察了真空室中钠-钾(Na-K)合金液滴与水蒸气的反应,水层每立方厘米含有大约5×1021个电子,具有了明显的金属性质。

钠-钾合金液滴表面金色的“金属水”。图片来源:Nature [2]


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钠-钾合金液滴表面形成“金属水”。图片来源:Nature

理论上,只要施加足够的压力,大多数材料都能变成金属。当原子紧密地挤在一起时,它们共享外部电子。由于此时电子浓度提高,可以像在铜或铁等金属中一样传播和导电。具有金属性质的水早有报道,比如天体物理学家认为,海王星等大质量行星的中心就含有这种水,高压使其具有金属性质 [5]

海王星的内部结构。图片来源:NASA [5]


碱金属也可以在短时间提供大量电子,不过研究面临的挑战是碱金属与水混合时会发生爆炸。有趣的是,钠-钾合金在常温下是液态的,正好可以解决这一问题。通过注射器在真空室中注入钾-钠液滴,随后喷入蒸汽压~10-7bar(即~10-5 Pa)的水蒸气,再实时监测反应的进行过程。

实验照片。图片来源:捷克科学院 [6]


低压下,碱金属液滴与水蒸气发生反应,表面形成一层金色的物质,并在持续了约5秒钟后,逐渐变为蓝紫色,并最终失去金属光泽,生成白色的氢氧化物。这一层金色的物质,难道就是现代版的“点水成金”么?

真空中Na-K液滴与水蒸气反应。图片来源:Nature


根据Langmuir模型估计,金色水膜的生长速度为~24 nm s−1。如果按照水蒸气分子的直径为~0.3 nm计算,形成单分子水层的时间也要~10 ms。然而,研究者在2015年证明了,电子从碱金属释放到水层的时间仅需皮秒级,这一点确保了“金属水”中高浓度电子的来源。

Na-K液滴与水蒸气相互作用示意图。图片来源:Nature


利用X射线光电子能谱对金色的“金属水”进行测试,也证实了研究者的推测。每立方厘米“金属水”中含有自由电子的密度为~5×1021,约为纯Na-K的三倍。这也使得“金属水”的导带宽度约为纯Na-K的一半,对应在光谱中,等离子体峰从紫外区域向可见光位移。“你可以用肉眼看到金属水的生成”,文章作者之一Robert Seidel博士说 [6],除了高压条件,人们也可以通过这种方式,实现水的金属化。

自由电子气体模型的实验数据拟合。图片来源:Nature


有趣的是,Philip E. Mason在NatureScience论文的最后,都不忘感谢视频网站上的粉丝,这一波操作其他“网红”恐怕很难复制……

图片来源:Nature


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图片来源:Science


PS:作为X-MOL多年的特约撰稿人,笔者万一要是有朝一日能在NS上发文,致谢部分也要加上一句:XX acknowledges support from the readers of X-MOL WeChat official accounts……


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution

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, Pavel Jungwirth

Nature2021595, 673-676, DOI: 10.1038/s41586-021-03646-5


参考文献:

[1] Youtube: Scientists discover Metallic Water

https://www.youtube.com/watch?v=Vdz18ibX7rE 

[2] P. Mason, et al. Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water. Nature Chem.20157, 250-254. DOI: 10.1038/nchem.2161

[3] D. Castelvecchi, Water transformed into shiny, golden metal, Nature2021596, 18. DOI: 10.1038/d41586-021-02065-w

[4] T. Buttersack, et al. Photoelectron spectra of alkali metal–ammonia microjets: From blue electrolyte to bronze metal. Science2020368, 1086-1091. DOI: 10.1126/science.aaz7607

[5] What is the surface of Neptune like?

https://phys.org/news/2016-04-surface-neptune.html 

[6] Water as a metal - detected at BESSY II

https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=23121;sprache=en;seitenid=1 


(本文由小希供稿)


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