Jak metalu powstaje: Elektrolity staje metaliczny

Następnie zespół zbadano tych ciekłych strumieni miękką rentgenowskie na BESSY II, a następnie jest zdolny do analizowania tego procesu w szczegółach z ich uzyskania danych połączonych z przewidywaniami teorii. Praca została opublikowana w Science.

Co odróżnia metale od innych materiałów jest ogólnie dobrze rozumiane. Z metalu, część zewnętrznej elektronów atomów poruszać się w sieci krystalicznej, w tak zwany zespół przewodzenia. W ten sposób metale przewodzić prąd elektryczny. W przeciwieństwie do metali, jony elektrolitów są nieuporządkowane i przewodności elektrycznej nawet, zmniejsza się wraz ze wzrostem stężenia jonów. Więc w jaki sposób zachowanie metaliczna wynikają z wielu pojedynczych atomów metali rozpuszczonych w elektrolicie? W jakim stężeniu i dokładnie tak, jak robi to forma pasma przewodnictwa i jak orbitale elektronowe zachowują się podczas tego procesu?

Duża współpraca międzynarodowa opracowała wyrafinowane techniki eksperymentalne, które sprawia, że ​​można obserwować te procesy po raz pierwszy. 17 autorów w instytutach w Kioto, Los Angeles, Paryżu, Pradze i Berlinie przyczyniły się swoją wiedzą.

Jednym z głównych autorów jest dr Bernd Zima z Fritz-Haber-Institut w Berlinie, który założył eksperyment na BESSY II wraz z dr Robert Seidel, szef HZB Operando Międzyfazowych Fotochemia młodej grupy Badacz i jego zespół. W pierwszym etapie, fizyków rozpuszczonych metali alkalicznych, takich jak lit sód, w amoniaku, tworząc roztwory. Atomy metalu stają się dodatnio naładowane jony i ich zewnętrzne elektrony są zasysane do ciekłego amoniaku. Rozwiązania te są lekko niebieskie przy niskim stężeniu metalu, ale stężenie metalu zwiększa się, kolor niebieski staje się bardziej intensywna, aż do przejścia do złotej barwie. Ta zaskakująca zmiana koloru jest związana stanów elektronowych w rozpuszczonych metali, naukowcy zakładano.

Za pomocą przyrządu SOL³PES w BESSY II U49 / 2-PGM 1 beamline który nadzoruje Seidel, zespół w stanie zbadać różne stężenia roztworów metalu alkalicznego / amoniaku w bardzo wąskich strumieni cieczy pod bardzo wysoką próżnią, stosując spektroskopię fotoelektronów. Rozwiązania te musiały być schładzane do około -60 ° C. W tej temperaturze, amoniak jest cieczą, a jej parowania jest wystarczająco niski. To pozwoliło im faktycznie mierzyć przejścia od elektrolitu do metalu precyzyjnie.

„Udało się po raz pierwszy do przechwytywania sygnału fotoelektronów nadmiarowego elektronów w ciekłym amoniaku. Zaobserwowaliśmy, wąski pik przy około 2 elektronowoltach (EV), która wskazuje na obecność rozpuszczonych elektronów i dielectrons” mówi ręczna. Seidel dodaje: „To również wyjaśnia dlaczego roztwór jest niebieskiej przy niskich i średnich stężeń jonów metali. Roztwór absorbuje światło w obszarze czerwonym, co jest zgodne z pikiem przy 2 eV” W rezultacie, roztwór jest lekko niebieski, kiedy są tylko pojedyncze rozpuszczone elektronów. Ten niebieski kolor wzmaga się z pojawieniem się pierwszych par elektronowych „” - zwanych dielectrons. Barwa zmienia się na złoty, jak wzrasta stężenie metali alkalicznych. W tym samym czasie, to wąski pik absorpcji rozszerza się zespół z ostrą krawędzią Fermiego w widmie, co jest charakterystyczne dla metali towarzyszy również sygnały związane z wzbudzenia grupowych (plazmony) cechą wolnego metalu elektronów.

„Grupy kierowany przez teoretyków Pavel Jungwirth i Ondrej Maršálek w Pradze był w stanie modelować strukturę elektroniczną solwatowanych elektronów w roztworze z góry”, mówi Winter. „Odkryliśmy, że energie wiązania one obliczane pasuje bardzo dobrze z naszych doświadczalnie określone wartości. To dało nam zaufanie do naszej interpretacji danych rentgenowskich.”

Praca została opublikowana w Science, ponieważ wnosi istotny wkład do fundamentalnego zrozumienia przejścia z nieprzewodzącym do charakteru metalicznej w elektrolity. Ponadto, istnieje również praktyczne zastosowania i solwatowanej elektronów, tj elektronów w roztworze, w chemii organicznej, jak środki redukujące, na układami aromatycznymi w eletrolytes baterii kondensatorów i elektroniczne.

źródło 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>.