¿Cómo se forma de metal: Electrolitos convertirse metálico

Posteriormente, el equipo examinó estos chorros de líquido utilizando rayos X blandos en BESSY II y, posteriormente, ha sido capaz de analizar este proceso en detalle a partir de los datos que adquirieron combinarse con las predicciones teóricas. El trabajo ha sido publicado en Science.

Lo que distingue a los metales de otros materiales generalmente se entiende bien. En un metal, algunos de electrones externos de los átomos se mueven a través de la red cristalina en lo que se llama una banda de conducción. Así es como los metales conducen la corriente eléctrica. En contraste con los metales, los iones en electrolitos están desordenados y la conductividad eléctrica incluso disminuye al aumentar la concentración de iones. Entonces, ¿cómo se plantea el comportamiento metálico de los muchos átomos metálicos individuales disueltos en el electrolito? ¿A qué concentración y exactamente cómo se forma una banda de conducción, y cómo se comportan los electrones orbitales durante este proceso?

Una gran colaboración internacional ha desarrollado una técnica experimental sofisticado que hace posible la observación de estos procesos por primera vez. 17 autores en los institutos en Kyoto, Los Ángeles, París, Praga y Berlín han contribuido con su experiencia.

Uno de los principales autores es el Dr. Bernd invierno desde el Fritz-Haber-Institut de Berlín, que creó el experimento en BESSY II, junto con el Dr. Robert Seidel, director de la Operando interfacial Fotoquímica Joven Investigador Grupo HZB y su equipo. Como un primer paso, los físicos disuelven metales alcalinos tales como litio y sodio en amoníaco, formando soluciones. Los átomos de metal convertirse en iones cargados positivamente y sus electrones exteriores se dibujan en la solución de amoníaco líquido. Estas soluciones son ligeramente azul en concentraciones de metal bajas, pero a medida que aumenta la concentración de metal, el color azul se hace más intensa hasta que las transiciones a un tono dorado. Este cambio de color sorprendente se relaciona con los estados de electrones en los metales disueltos, los científicos asumieron.

Usando el instrumento SOL³PES en el BESSY II U49 / 2-PGM-1 línea de luz que supervisa Seidel, el equipo fue capaz de estudiar diferentes concentraciones de las soluciones de metal alcalino / amoníaco como extremadamente estrecho chorros de líquido bajo ultra-alto vacío usando espectroscopia de fotoelectrones. Las soluciones tenido que ser enfriados a alrededor de -60 grados centígrados. A esta temperatura, el amoníaco es un líquido y su evaporación es suficientemente baja. Esto les permitió medir realmente la transición de electrolito a metal con precisión.

"Fuimos capaces por primera vez para captar la señal de fotoelectrones de los electrones en exceso en amoníaco líquido. Se observó un pico estrecho en alrededor de 2 electrones voltios (eV), lo que indica la presencia de electrones y dielectrons disueltos", dice Winter. Seidel añade: "Esto también explica por qué la solución es inicialmente azul en concentraciones baja y media de iones metálicos:. La solución absorbe luz en la región roja, que corresponde al pico en 2 eV" Como resultado, la solución aparece ligeramente azul mientras que sólo hay electrones disueltos individuales. Este azul se intensifica color con la aparición de los primeros pares de electrones "" - llamados dielectrons. El color cambia a dorado a medida que aumenta la concentración de metales alcalinos. Al mismo tiempo, este pico de absorción estrecho se ensancha en una banda con un borde afilado de Fermi en el espectro, como es característico de los metales, acompañado también por señales asociadas con excitaciones colectivas (plasmones), característica de electrones metálicos libres.

"Los grupos encabezados por los teóricos Pavel Jungwirth y Ondrej Maršálek en Praga habían sido capaces de modelar la estructura electrónica de los electrones solvatados en solución de anticipación", dice Winter. "Hemos encontrado que las energías de enlace se calculan ajuste muy bien con nuestros valores determinados experimentalmente. Esto nos dio la confianza en nuestra interpretación de los datos de rayos X".

El trabajo se publica en Science, ya que hace una importante contribución a la comprensión fundamental de la transición de un material no conductor de carácter metálico en los electrolitos. Además, incluso hay aplicaciones prácticas de electrones solvatados, es decir electrones en solución, en la química orgánica como agentes reductores para los sistemas aromáticos, en electrólitos de baterías y condensadores electrónicos.

fuente: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. "How metal is formed: Electrolytes becoming metallic." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 June 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200605105354.htm>.