Como o metal é formado: eletrólitos tornando metálico

A equipa, em seguida, examinou estes jactos de líquido que utilizam raios X suaves no BESSY II e, subsequentemente, tem sido capaz de analisar este processo em detalhe a partir dos dados que adquiriram combinadas com as predições teóricas. O trabalho foi publicado na revista Science.

O que distingue metais de outros materiais é geralmente bem compreendido. Em um metal, alguns dos electrões exteriores dos átomos mover-se através da rede cristalina no que é chamado de uma banda de condução. Isto é como metais conduzir corrente elétrica. Em contraste com os metais, os iões de electrólitos estão desordenados e a condutividade eléctrica diminui mesmo com o aumento da concentração de iões. Assim como o comportamento metálico surgir a partir dos diversos átomos de metal individuais dissolvidos no electrólito? Em que concentração e exatamente como faz um formulário banda de condução, e como os orbitais de elétrons se comportam durante este processo?

Uma grande colaboração internacional já desenvolveu uma técnica experimental sofisticado que faz com que seja possível observar esses processos, pela primeira vez. 17 autores em institutos em Kyoto, Los Angeles, Paris, Praga e Berlim têm contribuído seus conhecimentos.

Um dos principais autores é o Dr. Bernd Inverno do Fritz-Haber-Institut Berlin, que montou a experiência a BESSY II juntamente com o Dr. Robert Seidel, chefe do Operando Interfacial Fotoquímica Jovem Grupo Investigator HZB e sua equipe. Como um primeiro passo, os físicos dissolvido metais alcalinos, tais como sais de lítio e de sódio em amoníaco, formando soluções. Os átomos de metal tornar-se iões carregados positivamente e os seus electrões exteriores são puxados para dentro da solução de amoníaco líquido. Estas soluções são ligeiramente azul em baixas concentrações de metais, mas como a concentração do metal é aumentada, a cor azul torna-se mais intenso, até que ele passa para uma cor dourada. Esta mudança de cor surpreendente está relacionado com os estados dos elétrons nos metais dissolvidos, os cientistas assumiram.

Utilizando o instrumento SOL³PES no BESSY II U49 / 2-PGM-uma linha de luz que supervisiona Seidel, a equipa foi capaz de estudar diferentes concentrações das soluções de metal alcalino / amoníaco como extremamente estreito jactos de líquido sob ultra-alto vácuo usando espectroscopia de fotoelectrs. As soluções tinham de ser arrefecida a cerca de -60 graus Celsius. A esta temperatura, o amoníaco é um líquido e a sua evaporação é suficientemente baixo. Isto permitiu-lhes realmente medir a transição do eletrólito ao metal com precisão.

"Pudemos pela primeira vez a captar o sinal de fotoelectrs dos electrões em excesso em amoníaco líquido. Observou-se um pico estreito a cerca de 2 electrões volt (eV), o que indica a presença de electrões e dielectrons dissolvidos," diz Inverno. Seidel acrescenta: "Isto também explica por que a solução é inicialmente azul a baixas e médias concentrações de iões metálicos:. A solução absorve a luz na região do vermelho, o qual corresponde ao pico em 2 eV" Como um resultado, a solução aparece ligeiramente azul, enquanto existem apenas electrões dissolvidos individuais. Este azul intensifica cor com o aparecimento dos primeiros "pares de elétrons" - chamados dielectrons. A cor muda para dourado como os alcalinos aumentos de concentração de metal. Ao mesmo tempo, este pico de absorção estreita alarga-se para uma banda com uma borda de Fermi afiado no espectro, como é característico de metais, acompanhada assim por sinais associados com excitações colectivas (plasmons), característica de electrões metálicos livres.

"Os grupos chefiados pelos teóricos Pavel Jungwirth e Ondrej Marsalek em Praga tinha sido capaz de modelar a estrutura eletrônica de elétrons solvatados em solução de antecedência", diz Inverno. "Descobrimos que as energias de ligação eles calcularam se encaixam muito bem com os nossos valores determinados experimentalmente. Isso nos deu confiança em nossa interpretação dos dados de raios-X."

O trabalho está sendo publicado na revista Science, porque faz uma importante contribuição para o entendimento fundamental da transição de um não condutor de caráter metálico em eletrólitos. Além disso, há ainda aplicações práticas de electrões solvatados, i electrões em solução, em química orgânica como agentes de redução para os sistemas aromáticos, em eletrólitos de baterias, condensadores e electrónicos.

fonte: 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>.