Nachweis von Wasser als Metall an BESSY II

Unter Nor­malbe­din­gun­gen ist reines Wass­er ein nahezu per­fek­ter Iso­la­tor. Met­allis­che Eigen­schaften entwick­elt Wass­er nur unter extremem Druck, wie er höch­stens im Innern von großen Plan­eten herrscht. Nun hat eine inter­na­tionale Koop­er­a­tion mit einem ganz anderen Ansatz met­allis­ches Wass­er erzeugt und den Phasenüber­gang an BESSY II doku­men­tiert. Die Arbeit ist in Nature publiziert.
Dass Wass­er Strom leit­et, weiß jedes Kind – aber damit ist das „nor­male“ All­t­agswass­er gemeint, das Salze enthält. Reines, des­til­liertes Wass­er dage­gen ist ein nahezu per­fek­ter Iso­la­tor. Es beste­ht aus H2O-Molekülen, die über Wasser­stoff­brück­en­bindun­gen miteinan­der lock­er ver­net­zt sind. Dabei bleiben die Valen­zelek­tro­nen gebun­den und sind nicht mobil. Um ein Leitungs­band mit frei beweglichen Elek­tro­nen zu erzeu­gen, müsste man Wass­er so stark unter Druck set­zen, dass sich die Orbitale der Außenelek­tro­nen über­lap­pen. Eine Berech­nung zeigt jedoch, dass dieser Druck allen­falls im Inneren von großen Plan­eten wie Jupiter vorhan­den ist.
Eine inter­na­tionale Koop­er­a­tion aus 15 Wissenschaftler*innen an elf Forschung­sein­rich­tun­gen hat nun mit einem völ­lig anderen Ansatz erst­mals eine Wasser­lö­sung mit met­allis­chen Eigen­schaften erzeugt und diesen Phasenüber­gang an BESSY II doku­men­tiert. Sie exper­i­men­tierten dafür mit Alka­limet­allen, die ihr äußeres Elek­tron sehr leicht abgeben.
Die Chemie zwis­chen Alka­limet­allen und Wass­er ist jedoch bekan­ntlich explo­siv. Natri­um oder andere Alka­limet­alle fan­gen in Wass­er sofort an zu bren­nen. Das Team fand aber einen Weg, um diese heftige Chemie in Schach zu hal­ten: Sie war­fen nicht ein Stückchen Alka­limet­all in Wass­er, son­dern sie macht­en es umgekehrt: sie gaben ein klein wenig Wass­er auf einen Tropfen aus Alkalimetall.
Sie nutzten dafür eine Natri­um-Kali­um-Legierung, die bei Raumtem­per­atur flüs­sig ist. Am Strahlrohr U49/2 am BESSY II baut­en sie das Exper­i­ment in der Hochvaku­um-Probenkam­mer SOL³PES auf. In der Probenkam­mer sitzt eine sehr feine Düse, aus der die flüs­sige Na-K-Legierung tropft. Der sil­berne Tropfen wächst dabei etwa 10 Sekun­den, bis er sich von der Düse löst. Während der Tropfen wächst, strömt etwas Wasser­dampf in die Probenkam­mer und bildet an der Ober­fläche des Tropfens eine extrem dünne Haut, eine Schicht aus weni­gen Lagen Wasser­molekülen. Dabei wan­dern fast sofort Elek­tro­nen und Met­all-Ionen von der Alka­li-Legierung ins Wass­er ein. Diese einge­wan­derten Elek­tro­nen ver­hal­ten sich dabei wie freie Elek­tro­nen in einem Leitungsband.

„Man sieht den Phasenüber­gang zum met­allis­chen Wass­er mit bloßem Auge! Der sil­brige Natri­um-Kali­um-Tropfen überzieht sich mit einem gold­e­nen Schim­mer, das ist sehr eindrucksvoll.“
—  Dr. Robert Sei­del, Betreuer der Exper­i­mente an BESSY II

Die dünne Schicht aus gold­far­ben­em met­allis­chem Wass­er bleibt für einige Sekun­den sicht­bar. Dadurch kon­nte das Team um Prof. Pavel Jung­wirth, Tschechis­che Akademie der Wis­senschaften, Prag, mit spek­troskopis­chen Analy­sen am BESSY II und am IOCB in Prag nach­weisen, dass es sich tat­säch­lich um Wass­er in einem met­allis­chen Zus­tand handelt.
Die bei­den entschei­den­den Fin­ger­ab­drücke ein­er met­allis­chen Phase sind die Plas­mo­nen­fre­quenz und das Leitungs­band. Diese bei­den Größen kon­nten die Grup­pen mit optis­ch­er Reflex­ion­sspek­troskopie und Syn­chro­tron-Rönt­gen-Pho­toelek­tro­nen­spek­troskopie ermit­teln: Während die Plas­mo­nen­fre­quenz der gold­far­be­nen, met­allis­chen „Wasser­haut“ bei etwa 2,7 eV liegt (also im blauen Bere­ich des sicht­baren Lichts) besitzt das Leitungs­band eine Bre­ite von unge­fähr 1,1 eV mit ein­er schar­fen Fer­mikante. „Unsere Studie zeigt nicht nur, dass met­allis­ches Wass­er tat­säch­lich auf der Erde hergestellt wer­den kann, son­dern charak­ter­isiert auch die spek­troskopis­chen Eigen­schaften, die mit seinem schö­nen gold­e­nen Met­all­glanz ver­bun­den sind“, sagt Seidel.