Voor het eerst hebben wetenschappers water met metaaleigenschappen gemaakt. Dat water heeft een glimmend gouden gloed en geleidt stroom. Het cruciale ingrediënt? Een mengsel van natrium en kalium.
Soms leveren proefjes die op vrijdagmiddagen worden bedacht de mooiste resultaten op. Chemici Pavel Jungwirth en Philip Mason van de Tsjechische Academie van Wetenschappen kwamen op het idee om metallisch water te maken met behulp van alkalimetalen.
Extreem hoge druk
In theorie kunnen alle niet-metalen metallische eigenschappen krijgen als je de atomen maar dicht genoeg tegen elkaar drukt. Dan overlappen de buitenste elektronen uit de elektronenwolken van de atomen, waardoor ze vrijelijk kunnen bewegen en op die manier stroom kunnen geleiden.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
En hoe zit dat dan bij water? Water uit de kraan of de zee kan wel een beetje stroom geleiden door de van nature aanwezige mineralen en vrije ionen, maar dat maakt het water niet metaalachtig. Om puur water door samenpersen metallisch te maken, heb je een extreem hoge druk nodig: 48 megabar, oftewel bijna 48 miljoen keer de aardse atmosferische druk op zeeniveau. En dat is niet haalbaar in een laboratorium.
Explosief
De onderzoekers die nu metallisch water hebben gemaakt, gooiden het over een andere boeg. Eerder maakten ze metallische ammoniak door alkalimetalen toe te voegen aan vloeibare ammoniak. Alkalimetalen, zoals natrium, kalium en lithium, hebben een extra elektron dat ze liever kwijt dan rijk zijn. Zo krijg je de benodigde vrije elektronen om ammoniak metallisch te maken.
Hetzelfde trucje wilden ze uithalen met water. Er is alleen één probleem. Waar een mengsel met ammoniak weken of maanden metallisch blijft, zijn water en alkalimetalen samen nogal explosief. De alkalimetalen geven hun elektronen zo gretig af aan het water, dat je blijft zitten met een enorme berg positief geladen deeltjes, die elkaar afstoten. Bij de reactie tussen alkalimetalen en water komt bovendien veel warmte vrij. Eén van de stoffen die ontstaan, is waterstofgas, dat door de warmte ontbrandt. Gevolg: kaboem.
Delicate balans
Maar ook daar vonden de onderzoekers iets op. In plaats van het alkalimetaal in water te gooien, deden ze het andersom. Ze begonnen met een vloeibare legering van natrium en kalium. Vervolgens brachten ze een druppeltje van dit mengsel in contact met een klein beetje waterdamp, dat een laagje vormde rond het druppeltje alkalimetaal.
‘Dat luistert heel nauw’, zegt Robert Seidel, die ook betrokken was bij het onderzoek. ‘Te veel waterdamp en de druppel alkalimetaal barst. Te weinig waterdamp en dan zie je niet wat je wilt zien. Het is een heel delicate balans.’
Gouden druppeltje
Die balans vonden de onderzoekers, en het resultaat is een prachtig goudgekleurd druppeltje. Die gouden glans is maar van korte duur; een aantal seconden. Daarna volgen andere kleuren, zoals brons en paars, als gevolg van de dikker wordende waterlaag die het licht telkens anders reflecteert. Op een gegeven moment zijn er ook witte vlekjes te zien. Die bestaan uit alkalihydroxide, dat ontstaat uit een reactie van het alkalimetaal met water.
Om zeker te zijn dat het water inderdaad metallisch was, verrichtten de onderzoekers verschillende metingen aan het druppeltje. Met behulp van spectroscopie maten ze dat het water inderdaad stroom kan geleiden. Ook de gouden gloed van het druppeltje viel te verklaren door de reflectie van licht. Er bestaat dus geen twijfel over: de onderzoekers hebben voor het eerst metallisch water gemaakt.
Over de schutting
‘Het is een prachtig experiment, vooral de elegante druppelmethode waarmee ze het probleem van de explosieve chemische reactie hebben opgelost’, zegt Sander Woutersen, hoogleraar fysische chemie aan de Universiteit van Amsterdam.
Woutersen wijst er ook op dat er maar liefst elf instituten betrokken zijn geraakt bij een onderzoek dat begon als een ‘vrijdagmiddagexperiment’. ‘Jungwirth is normaal gesproken bezig met computersimulaties, maar staat erom bekend dat hij graag over de schutting kijkt. Hij denkt echt outside the box en is ontzettend creatief.’
Relatief gemakkelijk
Woutersen, die zelf onderzoek doet naar de eigenschappen van water met behulp van infraroodlicht, dacht na het lezen van het wetenschappelijke artikel meteen: dat ga ik ook doen. Zo eenvoudig is het natuurlijk niet, maar toch lijkt het metallisch water relatief makkelijk te maken, zegt hij, zodat nu ook andere onderzoekers het kunnen gaan bestuderen.
Hoewel metallisch water op dit moment geen directe toepassingen heeft, blijft het een unieke prestatie. ‘Dit onderzoek is puur gedreven door nieuwsgierigheid’, zegt Seidel. Nieuwsgierigheid met een gouden randje.
