Co znamená, že je něco kov, a jak vlastně kov vzniká? To jsou učebnicové otázky, na které existuje jednoduchá odpověď: kov je charakterizován volnými elektrony, které způsobují jeho velkou elektrickou vodivost. Jak přesně ovšem vzniká z původně vázaných elektronů kovový vodivostní pás a jak přitom materiál vypadá na mikroskopické úrovni?
Právě to se podařilo ukázat vědcům ze skupiny Pavla Jungwirtha z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR ve spolupráci s výzkumníky z USA a Německa, kteří s využitím fotoelektro-nové spektroskopie a pokročilých výpočtů elektronové struktury popsali a na molekulové úrovni zmapovali zrod kovového roztoku alkalických kovů v amoniaku z původního elektrolytu. Výsledky svého výzkumu nyní zveřejnili v jednom z nejprestižnějších vědeckých časopisů Science, kde také jejich článek vybrali pro grafiku na obálku.
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. Ideálním nástrojem pro mapování mikroskopických změn elektronové struktury materiálu, charakteristických pro tento přechod, je fotoelektronová spektroskopie.
Tato technika využívající ultravysokého vakua se dlouho považovala za neslučitelnou se zkoumáním těkavých kapalin, jako je např. kapalný amoniak. První úspěšná fotoelektronová měření čistého kapalného amoniaku se díky využití techniky mikronástřiků podařilo uskutečnit až v roce 2019 týmu Pavla Jungwirtha ve spolupráci s vědci z Jihokalifornské Univerzity (USA) a na berlínském synchrotronu BESSY II.
„Takhle to dopadá, když dáte teoretické skupině na hraní laborku,“ odkazuje Pavel Jungwirth na rozhodnutí ředitele ústavu poskytnout mu malou laboratoř.
Tento úspěch otevřel dveře k dalšímu zkoumání systémů alkalických kovů a tekutého amoniaku prostřednictvím fotoelektronové spektroskopie a vyústil v nejnovější publikaci v časopise Science, která mapuje přechod z elektrolytu ke kovovému roztoku kapalného amoniaku a lithia, sodíku a draslíku.
S využitím fotoelektronové spektroskopie pomocí rentgenového synchrotronního záření výzkumníci poprvé zachytili fotoelektronový signál kolem 2 eV odpovídající elektronům rozpuštěným v tekutém amoniaku. S rostoucí koncentrací alkalického kovu se pak přechod ke kovovému chování projeví ve fotoelektronovém spektru tvorbou vodivostního pásu s ostrou Fermiho hranou a přidruženými plasmonickými píky.
Společně s nejmodernějšími výpočetními postupy pro stanovení elektronových struktur tak poskytují tato měření detailní molekulový popis přechodu nekovové látky v kovovou, a tím nám umožňují lépe porozumět, jak vzniká kovové chování a s ním spojené vlastnosti jako velmi vysoká elektrická vodivost.
„Právě publikovaná studie o kovovém amoniaku nám snad otevře dveře k realizaci našeho ‘nejvýbušnějšího’ snu – přípravy kovové vody tak, že ji velmi opatrně smícháme s alkalickými kovy,” uzavírá Pavel Jungwirth.
Původní článek: Buttersack T., Mason P.E., McMullen R.S., Schewe C., Martínek T., Březina K., Crhan M., Gomez A., Hein D., Wartner G., Seidel R., Ali H., Thurmer S., Maršálek O., Winter B., Bradforth S.E., Jungwirth P.: Photoelectron spectra of alkali metal–ammonia microjets: From blue electrolyte to bronze metal. Science, June 5, 2020. https://doi.org/10.1126/science.aaz7607
