Forskare löser slutligen mysteriet bakom ett 100 år gammalt kemixperiment

Forskare kanske äntligen förstår den mystiska övergången bakom ett sekel-gammalt kemixperiment. Detaljerna i denna omvandling, där tillägg av elektroner till en ljusblå ammoniaklösning förvandlar den till en glansig, metallisk brons, har länge undgått forskare.

Den nya studien avslöjar de subtila detaljerna i denna förändring och visar att denna omvandling är gradvis, snarare än plötslig. "Vad vi har gjort framgångsrikt är att vi har ganska mycket förstått hur dessa lösningar beter sig vid ett brett spektrum av koncentrationer med hjälp av en mikroteknik," säger studiens medförfattare Ryan McMullen, en doktorand i kemi vid University of South California . Denna teknik, som involverar att skjuta hårtunna strömmar av lösningen genom ett vakuum, har inte använts på den glansiga vätskan innan.

Och upptäckten kan öppna nya typer av reaktioner i organisk kemi i framtiden, berättade McMullen .

Relaterad: 8 kemiska element som du aldrig hört talas om

Vad är en metall?

Metaller är en mångfaldig grupp. Vissa, som litium, är tillräckligt lätta för att flyta, medan andra, som bly eller osmium, är extremt täta. Vissa kräver otroligt höga temperaturer för att smälta, medan andra smälter lätt (t.ex. kvicksilver smälter till minus 38,3 grader Celsius eller minus 37,9 grader Fahrenheit). I slutändan, det som metaller har gemensamt är deras förmåga att leda elektricitet vid absolut noll, den punkt där molekylrörelsen från värme väsentligen stoppar.

Men hur förvandlas vissa icke-metaller till metaller? I en ny studie svarade forskarna på den frågan genom att lägga till metaller till flytande ammoniak.

Först kondenserade forskarna ammoniak, som är en gas vid rumstemperatur, till en vätska genom att kyla den till negativ 27,4 F (minus 33 ° C). De tillsatte sedan antingen natrium, litium eller kalium, som alla är alkalimetaller. (Ganska känt, dessa metaller reagerar explosivt när de är nedsänkta i vatten.) Experimenten gjordes i samarbete med forskare från Tjeckiska vetenskapsakademin och Fritz-Haber-institutet i Max Planck Society i Berlin, samt forskare i Japan och Frankrike.

Relaterad: Topp 10 största explosioner någonsin

Resultatet var en förväntad reaktion: Den flytande ammoniak drog elektroner från metallen. Dessa elektroner fångades sedan mellan ammoniakmolekylerna och skapade de så kallade solvatiserade elektronerna som forskarna hoppades kunna studera. Vid låga koncentrationer var resultatet en blå, icke-metallisk vätska. När de solvaterade eller fångade elektronerna staplade, övergick dock lösningen till glänsande brons.

Nästa utmaning var att undersöka hur de solvaterade elektronerna uppförde sig i olika koncentrationer. Det handlade om att skjuta en mikrojet av lösningen - ungefär bredden på ett mänskligt hår - genom en stråle av synkrotronröntgenstrålar, som är högenergiska röntgenstrålar. Röntgenstrålarna upphetsade de solvaterade elektronerna och fick dem att hoppa ut ur deras flytande bur av ammoniakmolekyler. Forskarna kunde sedan mäta hur mycket energi det tog för att frigöra de solvaterade elektronerna.

Forskarna fann att ju större koncentration av solvaterade elektroner, desto mer matchade mönstret för energiutlösning vad som ses i en metall. Här är vad det betyder: Om du visar den mängd energi som krävs för att frigöra elektroner från deras flytande ammoniakbur, har metaller vanligtvis det som kallas en "Fermi-kant", en mycket plötslig övergång, sade McMullen. Vid lägre koncentrationer av solvatiserade elektroner ser denna energiutgivande graf mer ut som en rundad kulle. Endast vid högre elektronkoncentrationer kom denna Fermi-kant upp. Kanten återspeglar hur mycket energielektroner som har en viss temperatur, tilllade McMullen.

"När du ökar koncentrationen till metallområdet ser du, detta underbara mönster uppstår som är mycket, mycket karakteristiskt för en metall," sa McMullen.

Resultaten var intressanta eftersom de visade att den metallliknande vätskan som skapades genom att kombinera alkalimetaller och ammoniak faktiskt är en metall på en grundläggande fysisk nivå, sade han.

"Det är en äkta metall, det är inte något som bara ser ut som en", sa McMullen.

Solvatiserade elektroner med lägre koncentration används i en typ av reaktion som kallas en björkreaktion, som lägger till elektroner till molekylstrukturer som kallas aromatiska ringar. Denna typ av reaktion användes vid tillverkningen av de första orala preventivpiller på 50-talet, sa McMullen. Genom att förstå hur solvatiserade elektroner fungerar i höga koncentrationer kan forskare potentiellt hitta nya typer av kemiska reaktioner, sade han. Till exempel kan de väcka de solvatiserade elektronerna med ljusstrålar för att få dem att bete sig på nya sätt.

"Om du kittlar elektronerna lite så att de är mer energiskt upphetsade kan du börja titta på några galna reaktioner som aldrig annars skulle hända," sa McMullen.

Forskarna rapporterade sina resultat 5 juni i tidskriften Science.