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METALLISCHES WASSER IST GOLDEN


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Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 10/2021 vom 18.09.2021

PHYSIK

Mittels freier Elektronen lässt sich Wasser zu einem Metall machen und sieht dann aus wie Gold. Das berichtet eine Arbeitsgruppe um Pavel Jungwirth von der Tschechischen Akademie der Wissenschaften in Prag. Der Effekt kommt zu Stande, wenn man Wasserdampf unter niedrigem Druck auf einer flüssigen Natrium-Kalium-Legierung kondensieren lässt.

Dann gehen Elektronen aus der Legierung in die nanometerdicke Wasserschicht über und bewegen sich frei in ihr. Sie machen das Wasser zum Metall – und färben es ein.

Einen Stoff in den metallischen Zustand zu überführen, ist auf zweierlei Weise möglich. Zum einen durch Ausüben hohen Drucks, unter dem sich die Atome so nahe kommen, dass ihre Elektronen nicht mehr an spezifische Kerne gebunden sind. Bei Wasser ist das in bisherigen Experimenten nicht gelungen, vermutlich weil hierfür weit höhere Drücke nötig sind, als sie sich derzeit erreichen lassen. Zum anderen kann man frei bewegliche Elektronen in dem jeweiligen Stoff lösen, indem man sie beispielsweise aus Natrium oder Kalium, die sehr bereitwillig Elektronen abgeben, übertreten lässt. Bislang war es schwierig, metallisches Wasser auf diesem Weg herzustellen, denn wenn H2O auf Alka- limetalle trifft, reagiert es für gewöhnlich heftig.

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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 10/2021

NICHT ALLES, WAS GLÄNZT... Eine dünne Wasserschicht, die einen Tropfen aus Natrium und Kalium bedeckt, schimmert golden.

Jungwirth und seinem Team gelang es, die Reaktion zu verlangsamen, indem sie flüssige Natrium-Kalium- Tropfen in eine Vakuumkammer schossen, in der ein sehr niedriger Wasserdampfdruck von etwa einem zehnmilliardstel Bar herrschte. In der Schicht, die auf den Tropfen kondensierte, lösten sich Elektronen, ohne die H2O- Moleküle sofort zu spalten. Dies verlieh dem Wasser einen goldenen Farbton.

Allerdings entsteht das Kolorit auf völlig andere Weise als bei echtem Gold. Während beim Edelmetall ein relativistischer Effekt für das gelbliche Schimmern sorgt – die Elektronen bewegen sich mit einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit, was ihr Absorptionsverhalten verändert –, sind es in der Wasserschicht kollektive Schwingungen der beweglichen Elektronen, so genannte Plasmonen. Zudem hält der Goldton dort nicht lange, denn die Elektronen bleiben in der wässrigen Phase nur kurze Zeit frei beweglich. Binnen Sekunden färbt sich die Schicht dunkler, wird rotviolett und schließlich von Flecken der Reaktionsprodukte Natriumhydroxid und Kaliumhydroxid durchsetzt.

Nature 10.1038/s41586-021-03646-5, 2021

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