металлическая вода что такое
Металлическая форма воды
Металлическая вода – разновидность воды, обладающая электропроводностью – может существовать при той температуре и давлении, которые имеются на планетах – газовых гигантах типа Юпитера и ледяных гигантах типа Нептуна.
На Земле вода также существует в разных формах: нормальный гексагональный лед (представленный в виде кристаллического льда или шестиугольных снежинок), кубический лед (встречающийся редко; обычно он формируется высоко в атмосфере), и другие типы, образованные при разных давлениях.
Новое теоретическое исследование, проведенное физиками из Национальной лаборатории США, показало возможность появления проводящей фазы воды при температуре 4000 К и давлении 100 гигапаскалей. Считается, что такие условия могут существовать внутри Юпитера и Нептуна.
Металлический гелий
Юпитер излучает заметно больше энергии, чем получает от Солнца. У планетологов есть несколько гипотез объяснения этого явления.
Исследователи воспользовались квантовой механикой, чтобы вычислить поведение вещества при давлении в десятки миллионов атмосфер, которое существует в глубинах газовых гигантов, и температурах 10-20 тысяч градусов по Цельсию, именно такая жара царит в ядрах планет-гигантов. Полученные прогнозы хорошо соответствуют экспериментальным результатам для более низких давлений, подчёркивают учёные.
Так по мнению ученых выглядит разрез Юпитера и Сатурна: тёмно-коричневым цветом показано железо-никелево-скальное ядро. Синим — жидкий металлический водород. Серым — жидкий молекулярный водород. В обоих случаях водород смешан с гелием и маленькой долей иных элементов. Жёлтым показан тонкий слой атмосферы, составляющий порядка 1 тысячи километров. Состав — те же водород и гелий, а также немного других газов. Причём между газовой (вверху) и жидкой (в глубине) фазами водорода чёткой границы нет, так что по мере спуска вниз мы бы увидели, как газовая атмосфера постепенно переходит в жидкость.
Авторы работы, опубликованной в журнале PNAS, утверждают, что в недрах газовых гигантов, в центральных областях, водород и гелий образуют жидкий металлический сплав. Полученный вывод был неожиданностью.
Это открытие на кончике пера может привести к пересмотру многих процессов, отвечающих за энергетический «дисбаланс» Юпитера и Сатурна – выработку «лишней» энергии.
Учёные не в первый раз говорят об удивительных состояниях материи, находящейся под очень высоким давлением и при высокой температуре. В ряде случаев такие экзотические формы веществ удавалось получать в лабораторных условиях, в других — только в численных экспериментах.
Знаете ли вы?
Звук превращается в свет
Знаете ли Вы, что бутылка с обыкновенной водой при воздействии на нее звука может начать светиться, как электролампочка?
Это явление называется сонолюминисценцией.
Сонолюминисценция стала известна еще в 30-е годы 20 века.
При движении звуковых волн большой мощности в воде в некоторых областях создается очень низкое давление и происходит образование воздушных кавитационных пузырьков.
Сначала пузырёк медленно растёт, затем быстро сжимается и схлопывается с большой скоростью.
В результате из центра схлопнувшегося пузырька вырывается очень короткая и яркая вспышка света. При достаточной мощности звуковой волны звук превращается в свет.
Чем холоднее вода, тем ярче свет.
Сонолюминесценция можно хорошо наблюдать в обычной воде, однако удалось добиться возникновения сонолюминесценции и в других жидкостях.
В 1990-х годах появились установки, дающие яркий, непрерывный, устойчивый сонолюминесцентный свет.
Исследователи впервые создали металлическую воду в земных условиях
Ученые впервые создали металлическую воду — жидкость, которая очень хорошо проводит электричество. Ранее считалось, что этого в земных условиях сделать нельзя.
Читайте «Хайтек» в
Исследователи объяснили, что чистая вода плохо проводит электричество. Для этого в жидкости должны содержаться другие элементы — например, растворенные соли, но проводимость такого электролита все равно останется низкой. Исследователи из Чешской академии наук поставили перед собой задачу сделать воду такой же электропроводимой, как и медная проволка. Ранее считалось, что сделать это в условиях Земли невозможно. Однако ученые смогли этого достичь — металлическая вода сохраняла свои свойства в течение нескольких секунд.
Ученые разработали новый метод, который позволил им не использовать высокое давление для изготовления металлической воды. Он основан на поведении щелочных металлов в воде и жидком аммиаке. Вдохновленные работой с растворами щелочных металлов в жидком аммиаке, которые при высоких концентрациях ведут себя как металл, исследователи решили создать полосу проводимости не за счет сжатия молекул воды, а путем массивного растворения электронов, высвобожденных из щелочного металла. Однако при этом им пришлось преодолеть фундаментальное препятствие: при попадании в воду щелочные металлы немедленно взрываются.
Поэтому ученые работали в вакуумной камере, где они подвергли каплю натрий-калиевого состава воздействию небольшого количества водяного пара, который начал конденсироваться на его поверхности. Электроны, высвобожденные из щелочного металла, растворялись в слое воды на поверхности быстрее, чем происходит химическая реакция, приводящая к взрыву. Их было достаточно много, чтобы преодолеть критический предел для образования полосы проводимости, и таким образом создавался металлический водный раствор, который, помимо электронов, содержал также растворенные катионы щелочного металла и химически образованные гидроксид и водород.
«Благодаря этому нам удалось создать тонкий слой водного раствора металлического цвета, который держался несколько секунд. Этого было достаточно, чтобы мы не только увидели его своими глазами, но и измерили с помощью спектрометров», — отметили ученые.
Физики смогли получить «металлическую» воду
Кажется, что вода может быть металлической только в ядре Юпитера. Отнюдь. Ученые смогли заставить тонкую пленку из молекул этого вещества проводить электричество
Чистая дистиллированная вода является почти идеальным изолятором. Он состоит из молекул, которые слабо связаны друг с другом водородными связями. Валентные электроны остаются в них связанными и неподвижными. Чтобы создать полосу проводимости при наличии свободно движущихся электронов давление на воду должно быть таким, чтобы орбитали внешних электронов перекрывались. Однако расчеты показывают, что такие давления присутствуют только в ядре крупных планет, таких как Юпитер.
Но международная группа исследователей из 11 научных организаций смогла разработать эксперимент, в котором вода начинает проявлять металлические свойства в отсутствие экстремального давления. Для проведения экспериментов ученые использовали щелочные металлы, которые очень легко высвобождают свой внешний электрон.
Известно, что щелочные металлы активно реагируют с водой, превращаясь в гидроксиды и выделяя при этом водород. Чтобы избежать такой реакции при соединении с водой натрия и калия, ученые помещали небольшое количество H2O на каплю расплава смеси Na и K. Авторы ставили эксперимент в камере высокого вакуума. Она содержала тонкое сопло, из которого капал жидкий сплав Na-K. Серебряная капля этой смеси росла около 10 секунд, пока не отделилась от сопла.
На Земле впервые создана металлическая вода. Она оказалась золотой
Примерно через пять секунд вокруг капли образовалась тонкая металлическая пленка воды, которую можно было распознать по золотистому мерцанию.
Фото HZB.
Последовательность образования металлической воды на капле натрий-калиевого сплава. Она окрашивается в золотой цвет по мере того, как электроны и катионы металлов перемещаются в слой воды.
Фото HZB.
Установка для получения металлической воды.
Фото HZB.
Большинству людей, хоть что-то понимающих в физике и технике, может показаться удивительным, что вода, которая может ударить током, на самом деле является изолятором.
Все дело в примесях. Вода из-под крана проводит электрический ток благодаря содержащимся в ней солям. Дистиллированная же вода имеет свойства диэлектрика, потому что молекулы воды сами по себе электрически нейтральны.
Соответственно, чтобы сделать дистиллированную воду проводником, нужно изменить ее структуру таким образом, чтобы в ней появились свободные электроны.
Этого можно добиться, сжимая воду под давлением около 48 мегабар. По сути, таким образом можно «выдавить» электроны из молекул воды. Однако такое давление ни в лабораторных, ни в производственных условиях недостижимо. Оно, к сожалению, может существовать только в ядрах очень больших планет или звезд.
Другой способ наделить воду свободными электронами – отдать ей чужие. Этим и занялась команда исследователей, работающая на установке BESSY II в Берлине.
Необычный эксперимент объединил 11 научных институтов разных стран мира. Ученые решили подарить воде электроны щелочных металлов, которые легко отдают их со внешних оболочек своих атомов.
Проблема состояла в том, как соединить воду со щелочным металлом, чтобы он поделился с ней своими электронами. Ведь в обычных условиях щелочные металлы, попадая в воду, шипят, воспламеняются и даже взрываются. Поэтому исследователи не стали погружать металл в воду, а нанесли тонкий слой воды на щелочной металл.
Внутри вакуумной камеры из сопла капал сплав натрия и калия. Поясним, что оба эти металла при комнатной температуре находятся в жидком состоянии. Затем в камеру по трубам подавался водяной пар. Он осаждался чрезвычайно тонким слоем на металлические капле.
Электроны и катионы (атомы, лишенные электронов) металлов перетекали из капель в наружный слой воды. В итоге получалась проводящая электричество вода. То есть вода из диэлектрика (плохо проводящего ток) превратилась в металл.
«И вы можете увидеть фазовый переход воды в металл невооруженным глазом! – говорит Роберт Зайдель (Robert Seidel), автор исследования. – Серебристая натриево-калиевая капля становится отчетливо золотистой, что очень впечатляет».
Полученный образец короткоживущей металлической воды ученые изучили с помощью оптической и синхротронной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Анализ подтвердил, что вода стала металлом.
«Наше исследование не только показывает, что металлическая вода может быть получена на Земле, но и обладает спектроскопическими свойствами, связанными с ее прекрасным золотистым металлическим блеском», – говорит Зайдель.
Результаты любопытного исследования были опубликованы в журнале Nature.
Ранее мы писали о том, как физики согнули в дугу волокно изо льда, как ученые ННГУ создали девятислойный кремний, который в 100 раз лучше излучает свет. А еще мы рассказывали, как физики вырастили гибкие, как резина, алмазы. О, наука, спасибо тебе за всю эту «магию»!
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».
Металлическая вода была впервые создана в научном эксперименте
Исследование показывает, что металлическая вода действительно может быть произведена на Земле
Ученые впервые создали металлическую воду. С помощью экспериментальной установки они вырастили тонкий слой металлической воды золотого цвета на внешней стороне капли жидкого металла.
Большинство людей может удивиться, узнав, что вода на самом деле является изолятором — по крайней мере, когда она совершенно чистая. Однако вода, которая течет из крана, является хорошо известным проводником электричества из-за содержащихся в нем солей и примесей. Но создание из чистой воды металлической или проводящей воды долгое время было научной проблемой.
Но теперь ученые смогли это сделать на установке BESSY II в Берлине. Ключ к прорыву заключался в соединении воды с щелочным металлом, который, как известно, легко высвобождает электроны из внешних оболочек своих атомов.
Проблема в том, что вода и щелочные металлы, как известно, плохо смешиваются — металлы могут шипеть, воспламеняться и даже взрываться при попадании в воду. Поэтому для эксперимента исследователи изменили обычную смесь, покрывая щелочной металл тонким слоем воды.
Внутри вакуумной камеры из сопла капал натрий-калиевый (Na-K) сплав, который существует в виде жидкости при комнатной температуре. Затем в камеру подавали водяной пар, образуя очень тонкую пленку снаружи металлической капли. Электроны и катионы металлов затем переходили из Na-K в воду, создавая проводящую металлическую воду.
«Невооруженным глазом можно увидеть фазовый переход в металлическую воду!» — говорит доктор Роберт Зайдель, автор исследования: «Серебристая натриево-калиевая капля покрывается золотым сиянием, что очень впечатляет».
Чтобы выяснить, что происходит, ученые исследовали короткоживущую металлическую воду с помощью спектроскопии оптического отражения и синхротронной рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Это подтвердило металлическую фазу.
«Наше исследование не только показывает, что металлическая вода действительно может быть произведена на Земле, но также характеризует спектроскопические свойства, связанные с ее красивым золотистым металлическим блеском», — говорит Роберт Зайдель.