Wasser als Metall

Dass Wasser Strom leitet, weiß jedes Kind – aber damit ist das „normale“ Alltags­wasser gemeint, das Salze enthält. Reines, destilliertes Wasser dagegen ist ein nahezu perfekter Isolator. Es besteht aus H₂O-Molekülen, die über Wasserstoff­brücken­bindungen miteinander locker vernetzt sind. Dabei bleiben die Valenz­elektronen gebunden und sind nicht mobil. Um ein Leitungsband mit frei beweglichen Elektronen zu erzeugen, müsste man Wasser so stark unter Druck setzen, dass sich die Orbitale der Außenelektronen überlappen. Eine Berechnung zeigt jedoch, dass dieser Druck allenfalls im Inneren von großen Planeten wie Jupiter vorhanden ist. Eine internationale Kooperation aus 15 Forschenden von elf Instituten hat nun mit einem völlig anderen Ansatz erstmals eine Wasserlösung mit metallischen Eigenschaften erzeugt. Sie experi­mentierten dafür mit Alkali­metallen, die ihr äußeres Elektron sehr leicht abgeben. 

Die Chemie zwischen Alkali­metallen und Wasser ist jedoch bekanntlich explosiv. Natrium oder andere Alkalimetalle fangen in Wasser sofort an zu brennen. Das Team fand aber einen Weg, um diese heftige Chemie in Schach zu halten: Sie warfen nicht ein Stückchen Alkalimetall in Wasser, sondern sie machten es umgekehrt: sie gaben ein klein wenig Wasser auf einen Tropfen aus Alkali­metall. Sie nutzten dafür eine Natrium-Kalium-Legierung, die bei Raum­temperatur flüssig ist.

Am Strahlrohr U49/2 bauten sie das Experiment in der Hochvakuum-Probenkammer SOL³PES auf. In der Probenkammer sitzt eine sehr feine Düse, aus der die flüssige Na-K-Legierung tropft. Der silberne Tropfen wächst dabei etwa zehn Sekunden, bis er sich von der Düse löst. Während der Tropfen wächst, strömt etwas Wasserdampf in die Probenkammer und bildet an der Oberfläche des Tropfens eine extrem dünne Haut, eine Schicht aus wenigen Lagen Wasser­molekülen. Dabei wandern fast sofort Elektronen und Metall-Ionen von der Alkali-Legierung ins Wasser ein. Diese einge­wanderten Elektronen verhalten sich dabei wie freie Elektronen in einem Leitungsband. 

„Man sieht den Phasen­übergang zum metallischen Wasser mit bloßem Auge! Der silbrige Natrium-Kalium-Tropfen überzieht sich mit einem goldenen Schimmer, das ist sehr eindrucksvoll“, berichtet Robert Seidel, der die Experimente an BESSY II betreut hat. Die dünne Schicht aus gold­farbenem metallischem Wasser bleibt für einige Sekunden sichtbar. Dadurch konnte das Team um Pavel Jungwirth, Tschechische Akademie der Wissen­schaften, Prag, mit spektro­skopischen Analysen nachweisen, dass es sich tatsächlich um Wasser in einem metallischen Zustand handelt.

Die beiden entscheidenden Finger­abdrücke einer metallischen Phase sind die Plasmonenfrequenz und das Leitungsband. Diese beiden Größen konnten die Gruppen mit optischer Reflexions­spektroskopie und Synchrotron-Röntgen-Photo­elektronen­spektroskopie ermitteln: Während die Plasmonen­frequenz der goldfarbenen, metallischen Wasserhau“ bei etwa 2,7 Elektronen­volt liegt besitzt das Leitungs­band eine Breite von ungefähr 1,1 eV mit einer scharfen Fermikante. „Unsere Studie zeigt nicht nur, dass metallisches Wasser tatsächlich auf der Erde hergestellt werden kann, sondern charak­terisiert auch die spektro­skopischen Eigen­schaften, die mit seinem schönen goldenen Metallglanz verbunden sind“, sagt Seidel.

HZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. E. Mason et al.: Spectroscopic evidence for a gold-coloured metallic water solution, Nature 595, 673 (2021); DOI: 10.1038/s41586-021-03646-5
• Operando Grenzflächen- Photochemie (R. Seidel), Helmholtz Zentrum Berlin