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.
Ученые впервые создали металлическую воду
Большинство людей может удивиться, узнав, что вода на самом деле является изолятором — по крайней мере, когда она совершенно чистая. Но та вода, которая выходит из крана, — хорошо известный проводник электричества из-за содержащихся в ней солей и примесей. Создание из чистой воды металлической или «проводящей» долгое время было научной проблемой.
Недавно команда исследователей из 11 организаций по всему миру создала металлическую воду в лаборатории синхротронного центра 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 плохо смешиваются — металлы могут шипеть, воспламеняться и даже взрываться при попадании в воду. Именно поэтому ученые решили не погружать щелочной металл в воду, а покрыть его тонким слоем воды.
Внутри вакуумной камеры из сопла подавали капли натрий-калиевого сплава, который существует в виде жидкости при комнатной температуре. Затем в камеру подавали водяной пар, он покрыл металлическую каплю очень тонкой пленкой. Электроны и катионы металлов «перетекли» из сплава в воду, создав металлическую воду.
«Невооруженным глазом можно увидеть фазовый переход в металлическую воду! — говорит доктор Роберт Зайдель, один из авторов исследования. — Серебристая капля сплава натрия и калия покрывается золотым сиянием, что очень впечатляет».
На Земле впервые создана металлическая вода. Она оказалась золотой
Исследователи вырастили тонкий слой металлической воды цвета золота на капле жидкого металла.
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».