Что такое металлическая вода

Обновлено: 20.09.2024

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.

Золото - очень мягкий и пластичный металл.
Из одного грамма золота можно вытянуть проволоку длиной в 3 км 420 метров.
200 лет назад головки спичек делали из смеси бертолетовой соли с сахаром и клеем.
Зажигались эти спички обмакиванием в пузырек с серной кислотой. Какая же морока!

Металлическая форма воды

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".

Как ученые сделали из воды металл

Вода представляет собой жидкость с уникальным набором свойств. И с теперь, когда можно проводить более сложные эксперименты, ученые то и дело обнаруживают в ней какие-то новые особенности, что полностью меняет наше представление о воде как о традиционной жидкости.

Эксперименты с водой

Мы уже рассказывали в нашей статье, что далеко не всегда просто определить, каким образом поведет себя вода в той или иной ситуации. Так, в условиях космоса она по идее одновременно должна застыть и испариться. Чтобы узнать ответ, что же произойдет раньше, можете прочитать наш материал. И подобных историй, когда вода показывала новое агрегатное состояние, можно вспомнить немало. И недавно международная группа специалистов заставила дистиллированную воду передавать электричество.

В воде, плещущейся в океане, содержатся соли, которые и проводят электричество. Фото: Joel V

Вообще еще со школьной скамьи мы знаем, что вода проводит электричество. Причиной этого являются примеси, которые есть абсолютно в любой жидкости. Эти соли и ответственны за то, что она способна проводить ток. Зато чистая вода, нередко получаемая в лабораторных условиях, совершенно безопасна. Она является идеальным изолятором, так как в ней нет свободных электронов, которые могли бы проводить электричество. Но ученые все же смогли заставить ее это делать.

Как они это сделали

Для того чтобы вода смогла проводить ток, специалисты увеличили ее давление до совсем нетипичных 48 мегабар. Из-за него электроны начинают практически соприкасаться друг с другом, в результате их орбитали перекрываются, а уже это позволяет электричеству перемещаться. Но в подобных условиях работать совершенно невозможно, так как данное давление трудно поддерживать. Поэтому ученые продолжили свои эксперименты.

То есть обычная вода и так проявляет металлические свойства. Фото: TheNeverhoods

Следующим этапом стала идея добавить к воде щелочной металл. Обычно, когда в опытах, чаще развлекательных, это происходит, тот же литий начинает буквально прыгать по воде, окрашивая ее в фиолетовый цвет, местами даже будто бы гореть. Но ученые воспользовались им не в отношении жидкой воды, а использовали его на паре.

Они капали натриево-калиевым сплавом на воду в виде пара, что заставляло ее осаждаться на эту самую каплю тонким слоем. Ионы из этого сплава постепенно перетекали в воду, что и сделало ее «металлической», то есть наделяли ее свойствами проводника. Если рассматривать этот опыт со стороны, то можно заметить, что он выглядит так, словно на воде появляется золотистая пленка. Правда, длительность процесса практически мизерная: всего несколько секунд.

Однако дистиллированной воде такое недоступно. Фото: sayo ts

Это открытие вновь расширяет границы изученного в области наших жидкостей. Потенциально какая-нибудь из таких технологий может стать причиной удивительных изобретений, а также просто позволяет понять, что же происходит за пределами нашей планеты. Например, газовый гигант Юпитер имеет просто огромное давление, что может делать из любого вещества способное проводить электричество.

Напомним, что также мы рассказывали про то, откуда взялась вода на нашей планете. Прочитать об этом можно по ссылке.

Присоединяйся к нашему сообществу в телеграмме, нас уже более 1 млн человек 😍

Читайте также: