In einem faszinierenden Experiment haben Wissenschaftler einen goldenen Tropfen Mineralwasser hergestellt

Reines Wasser ist kein guter Stromleiter. Es ist eigentlich ein elektrischer Isolator. Um Strom zu leiten, muss Wasser beispielsweise gelöste Salze enthalten, doch die Leitfähigkeit eines solchen Elektrolyten ist relativ gering, um ein Vielfaches geringer als die von Mineralien. Kann man leitfähiges Wasser wie zum Beispiel Kupferdraht herstellen?

Wissenschaftler vermuteten, dass dies in den Kernen großer Planeten passieren könnte, wo Hochdruck Wassermoleküle so stark komprimiert, dass sich ihre Elektronenhüllen zu überlappen beginnen. Gegenwärtig übersteigt die Erzeugung eines solchen Drucks auf der Erde die menschlichen Fähigkeiten, und daher wurde angenommen, dass die Aufbereitung von Mineralwasser unter terrestrischen Bedingungen auf absehbare Zeit ein schwer erreichbares Ziel bleiben würde. Ein internationales Forscherteam um Pavel Jungwirth vom IOCB Prag hat jedoch eine neue Methode entwickelt, mit der es gelungen ist, Mineralwasser unter Bodenbedingungen für mehrere Sekunden herzustellen. Ihr Papier wurde kürzlich veröffentlicht in Natur.

Natrium-Kalium-Tropfen Barren Es wird Wasserdampf bei 4-10 mbar ausgesetzt. Auf dem Tropfen bildet sich eine Wasserschicht, während sich die aus dem Metall freigesetzten Elektronen auflösen und ihm einen goldenen Glanz verleihen. Bildnachweis: Phil Mason/IOCB Prag

Die Idee, mit enormem Druck aus Wasser Metall zu machen, ist nicht neu. Grundsätzlich sollte es möglich sein, die Wassermoleküle so stark zu komprimieren, dass sich ihre Elektronenhülle zu überlappen beginnt und ein sogenanntes Leitungsband ähnlich dem von metallischen Werkstoffen bildet. Der erforderliche Druck von 50 Megabar (ca. 50 Millionen Mal größer als der Druck an der Erdoberfläche) ist in den Kernen großer Planeten zu finden, aber unter terrestrischen Bedingungen haben wir ihn noch nicht erreicht.

Elektronenzerfall

In Zusammenarbeit mit Forschern der University of Southern California, des Fritz-Haber-Instituts und anderer Institute hat Jungwirths Team kürzlich eine Methode entwickelt, mit der sie Mineralwasser ganz ohne Hochdruck aufbereiten können. Die Methode baut auf früheren Forschungsarbeiten der Gruppe von Pavel Jungwirth auf, die sich auf das Verhalten von Alkalimetallen in Wasser und flüssigem Ammoniak konzentrierten. Inspiriert von der Arbeit mit Lösungen von alkalischem flüssigem metallischem Ammoniak, die sich in hohen Konzentrationen wie ein Metall verhalten, beschlossen die Forscher, zu versuchen, ein Leitungsband nicht durch Komprimieren von Wassermolekülen, sondern durch massive Auflösung der vom Alkalimetall emittierten Elektronen zu erzeugen. Dabei mussten sie jedoch ein grundlegendes Hindernis überwinden: Beim Eindringen ins Wasser explodierten die Alkalimetalle sofort.

Das erste Bild zeigt einen reinen Tropfen der Natrium-Kalium-Legierung; In den folgenden Bildern sehen wir das Tröpfchen der Einwirkung von Wasserdampf bei 10-4 mbar ausgesetzt. Auf dem Tropfen bildet sich eine Wasserschicht, während sich die aus dem Metall freigesetzten Elektronen auflösen und ihm einen goldenen Glanz verleihen. Bildnachweis: Phil Mason/IOCB Prag

„Natrium ins Wasser zu kippen ist eines der häufigsten Schulexperimente und Gegenstand vieler YouTube-Videos. Wenn man eine Portion Natrium ins Wasser wirft, erhält man bekanntlich kein Mineralwasser, sondern eine sofortige und große Explosion, die wird Ihr Gerät zerstören“, sagt Jungwirth, der am IOCB Prag eine Gruppe leitet, die sich auf molekulare Modellierung spezialisiert hat. „Um diese intensive Chemie einzudämmen und für Laborzwecke, anstatt kontraproduktiver Chemie, haben wir es umgekehrt behandelt; anstatt das Alkalimetall dem Wasser zuzusetzen, haben wir dem Metall Wasser hinzugefügt.“

Goldener Tropfen Mineralwasser

In einer Vakuumkammer setzten die Forscher einen Tropfen einer Natrium-Kalium-Legierung einer kleinen Menge Wasserdampf aus, der an seiner Oberfläche zu kondensieren begann. Elektronen werden aus dem in der Wasserschicht an der Oberfläche gelösten Alkalimetall schneller freigesetzt als die chemische Reaktion, die zur Explosion führt. Es gab genug davon, um die kritische Grenze zu überwinden, um ein Leitungsband zu bilden und so eine Mineralwasserlösung zu ergeben, die neben Elektronen auch gelöste alkalische Kationen und chemisch gebildetes Hydroxid und Wasserstoff enthält.

Ein Tropfen reine Natrium-Kalium-Legierung. Bildnachweis: Phil Mason/IOCB Prag

„Dank dessen konnten wir eine dünne Schicht einer Lösung aus goldfarbenem Mineralwasser herstellen, die mehrere Sekunden lang anhielt und die ausreichte, um sie nicht nur mit unseren Augen zu sehen, sondern auch mit Spektrometern zu messen. “ Jungfirth und fügt hinzu: „Wir haben die notwendigen Geräte mehr oder weniger in einem kleinen Labor ausgestattet. An unserem Institut in Prag, wo auch die ersten Experimente durchgeführt wurden. Dann haben wir mit Röntgen die wichtigsten Beweise für die Existenz von Mineralwasser gewonnen.“ optische Spektroskopie am Synchrotron in Berlin.

Natrium- und kaliumarme Legierung, die dem Einfluss von Wasserdampf bei 4-10 mbar ausgesetzt ist. Auf dem Tropfen bildete sich eine Wasserschicht, als Elektronen aus dem Metall freigesetzt wurden, was ihm einen goldenen Glanz verlieh. Bildnachweis: Phil Mason/IOCB Prag

Die Studie von Forschern und Kollegen des IOCB Prag zeigt nicht nur, dass Mineralwässer unter terrestrischen Bedingungen hergestellt werden können, sondern bietet auch eine detaillierte Charakterisierung der spektroskopischen Eigenschaften, die mit seinem schönen goldenen Mineralglanz verbunden sind.

Professor Pavel Jungwirth, Leiter der Molecular Modeling Group am IOCB Prag. Bildnachweis: Thomas Bellon / IOCB Prag

Referenz: „Eine spektroskopische Anleitung zu einer goldfarbenen metallischen wässrigen Lösung“ von Philip E. Mason, H. Christian Choi, Tillman Patersak, Vojtek-Costal, Marco Vitek, Ryan S. McMullen, Hebatullah Ali, Florian Trenter, Chen Lee, Daniel M. Newmark, Stefan Thurmer, Robert Seidel, Bernd Winter, Stephen Bradforth und Pavel Jungfirth, 28. Juli 2021, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03646-5