Už ze školních lavic si možná pamatujete, že kov je charakterizovaný i tím, že má mnoho volných elektronů a je to tak dobrý vodič. Jak ale takový kov, respektive kovový vodivý pás vzniká? To se podařilo popsat skupině vědců z Ústavu organické chemie a biochemie a Matematicko-fyzikální fakulty Karlovy spolu s vědci z americké University of Southern California, pařížské PSL University, německého Institutu Maxe-Plancka a dalších. Výsledek jejich práce vyšel tento týden v časopise Science.
Mezinárodní výzkumný tým, jehož členy jsou vědci z @IOCBPrague a @matfyz, detailně zmapoval proces, jak se z nekovové látky stává kov. Na společnou studii poutá titulní strana aktuálního vydání prestižního časopisu Science. https://t.co/14mjfZlS8D @OndrejMarsalek @krystofbrezina https://t.co/a4CPB8zn4O
Vědci v něm popsali přechod ke „kovovému chování“ na molekulární úrovni, konkrétně ukázali, jak přesně z původně vázaných elektronů vzniká kovový vodivostní pás.
„Představte si třeba drát, kde jsou elektrony, které tím drátem tečou. My teď máme krásný, modelový systém, kde se to na začátku chová jako izolátor, žádné elektrony tam netečou. Přidáme alkalický kov a najednou ty elektrony propojí a vytvoří to, čemu říkáme vodivostní pás. Vznikne nám kovové chování,“ popsal chemik Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie.
Místo výbuchu objev
K současnému objevu podle jeho slov vedla několikaletá cesta. Zásadní na ní bylo využití kapalného amoniaku.
„Ten výzkum začal takovým ‚hraním si‘ – házením sodíku do vody, což zná asi každý z hodin chemie jako experiment, kdy se ukáže, jak vypadá výbuch,“ poznamenal chemik. „Ten trik, který jsme tehdy udělali, je, že místo vody jsme tam dali kapalný amoniak, kdy k výbuchu nedochází. A člověk tak může přidávat více a více alkalického kovu,“ popisuje výzkumník.
Vědci při práci využili metodu fotoelektronové spektroskopie. „Na synchrotronu, třeba v Berlíně, kde mají velice silný zdroj rentgenového záření, můžeme materiál ozářit a studovat elektrony v něm,“ popsal Jungwirth.
Technika, která využívá ultravysokého vakua, se přitom dlouho považovala za neslučitelnou se zkoumáním těkavých kapalin, jakou je i kapalný amoniak (čpavek). První fotoelektronová měření čistého kapalného amoniaku se podařila teprve loni právě Jungwirthovu týmu a jeho kolegům z jihokalifornské univerzity na synchrotronu BESSY II v Berlíně. Uspěli díky technice mikronástřiků.
Při současném výzkumu pak vědci využili také nejmodernější výpočetní postupy pro stanovení elektronových struktur a získali tak detailní molekulový popis přechodu nekovové látky v kovovou.
„Společně se dvěma doktorandy jsme numericky počítali, jak se během extrémně krátkých časových úseků systém vyvíjí na molekulární úrovni a jaké zaujímá za dané teploty struktury. Šlo o rozsáhlé výpočty pomocí metody ab initio molekulární dynamiky,“ upřesňuje dr. Ondřej Maršálek z Matematicko-fyzikální fakulty UK.
Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie
Kombinací fotoelektronové spektroskopie a pokročilých výpočtů elektronové struktury tak následně mohli popsat a na molekulové úrovni zmapovat, jak z původního elektrolytu vznikl kovový roztok lithia, sodíku a draslíku, tedy alkalických kovů, v tekutém čpavku. V podstatě se tak podařilo podrobně ukázat přechod z elektrolytu ke kovovému roztoku.
„S využitím fotoelektronové spektroskopie pomocí rentgenového synchrotronního záření výzkumníci poprvé zachytili fotoelektronový signál kolem 2 eV odpovídajícím elektronům rozpuštěným v tekutém amoniaku,“ popisuje vědec výsledky na stránkách Ústavu organické chemie a biochemie.
Titulní strana magazínu Science s grafikou znázorňující barevný přechod nevodivého čpavku k vodivému, když byl obohacen alkalickými kovy.
Alkalické kovy rozpuštěné v kapalném amoniaku představují modelové systémy zajímavé pro zkoumání přechodu modrého elektrolytu s nízkou koncentrací rozpuštěných elektronů k bronzově či zlatě zbarvenému kovovému roztoku (s vodivostí srovnatelnou s měděným drátem) s vysokou koncentrací volných elektronů. Právě tento barevný přechod se dostal v podobě grafiky na titulní stranu vědeckého časopisu.
Je zajímavé, že tento výzkum vznikl jako vedlejší k hlavnímu zaměření skupiny kolem Pavla Jungwirtha, která se totiž zabývá především porozumění biologickým procesům, týkajících se iontů solí.
Kovová voda
„Toto je taková přípravná fáze. Snažíme se vrátit zpátky k vodě, ve které alkalické kovy vybuchují, a udělat nějaký ‚trik‘, abychom mohli připravit kovovou vodu. Tedy vodu, která bude mít vlastnost kovu,“ dodal Jungwirth k hlavnímu cíli zkoumání. Doufá, že nynější studie otevře dveře k realizaci jejich „nejvýbušnějšího snu“.
Podle něj by se mělo podařit připravit kovovou vodu tak, že ji velmi opatrně smícháme s alkalickými kovy. Kovová voda zatím ještě nebyla nikdy vyrobena, a pokud by se to českému týmu podařilo, bylo by to poprvé, co by vznikl takový tekutý vodič s kovovým vodivým pásem. Výsledek by pomohl lépe pochopit, jak vzniká „kovové chování“ a s ním spojené vlastnosti, jako je velmi vysoká elektrická vodivost.
