Un equipo internacional ha desarrollado una técnica experimental sofisticada en BESSY II para observar la formación de una banda de conducción metálica en electrolitos.
El equipo luego examinó estos chorros de líquido usando rayos X suaves en BESSY II y posteriormente pudo analizar este proceso en detalle a partir de los datos que adquirieron combinados con predicciones teóricas. El trabajo ha sido publicado en ciencia .
Lo que distingue a los metales de otros materiales generalmente se entiende bien. En un metal, algunos de los electrones externos de los átomos se mueven a través de la red cristalina en lo que se llama una banda de conducción. Así es como los metales conducen la corriente eléctrica. En contraste con los metales,los iones en los electrolitos están desordenados y la conductividad eléctrica incluso disminuye con el aumento de la concentración de iones Entonces, ¿cómo surge el comportamiento metálico de los muchos átomos metálicos individuales disueltos en el electrolito? ¿A qué concentración y exactamente cómo se forma una banda de conducción y cómo se forma el electrón?los orbitales se comportan durante este proceso?
Una gran colaboración internacional ha desarrollado una técnica experimental sofisticada que permite observar estos procesos por primera vez. 17 autores en institutos de Kyoto, Los Ángeles, París, Praga y Berlín han contribuido con su experiencia.
Uno de los autores principales es el Dr. Bernd Winter del Fritz-Haber-Institut Berlin, quien organizó el experimento en BESSY II junto con el Dr. Robert Seidel, jefe del Grupo de Investigadores Jóvenes de Investigación Química Interfaz HZB Operando y su equipo.Como primer paso, los físicos disolvieron metales alcalinos como el litio y el sodio en amoníaco, formando soluciones. Los átomos metálicos se convierten en iones cargados positivamente y sus electrones externos son arrastrados a la solución líquida de amoníaco. Estas soluciones son ligeramente azules a bajas concentraciones de metales,pero a medida que aumenta la concentración de metal, el color azul se vuelve más intenso hasta que pasa a un tono dorado. Este sorprendente cambio de color está relacionado con los estados de los electrones en los metales disueltos, asumieron los científicos.
Utilizando el instrumento SOL³PES en la línea de luz BESSY II U49 / 2-PGM-1 que supervisa Seidel, el equipo pudo estudiar diferentes concentraciones de las soluciones de metal alcalino / amoníaco como chorros de líquido extremadamente estrechos bajo vacío ultra alto usando fotoelectrónespectroscopía. Las soluciones tuvieron que enfriarse a aproximadamente -60 grados Celsius. A esta temperatura, el amoníaco es un líquido y su evaporación es lo suficientemente baja. Esto les permitió medir realmente la transición del electrolito al metal con precisión.
"Pudimos por primera vez capturar la señal del fotoelectrón del exceso de electrones en el amoníaco líquido. Observamos un pico estrecho a aproximadamente 2 voltios de electrones eV, que indica la presencia de electrones y dielectrones disueltos", dice WinterSeidel agrega: "Esto también explica por qué la solución es inicialmente azul en concentraciones bajas y medias de iones metálicos: la solución absorbe luz en la región roja, que corresponde al pico a 2 eV". Como resultado, la solución aparece ligeramenteazul siempre que solo haya electrones disueltos individuales. Este color azul se intensifica con la aparición de los primeros "pares de electrones", llamados dielectrones. El color cambia a dorado a medida que aumenta la concentración de metales alcalinos. Al mismo tiempo, este pico de absorción estrechose ensancha en una banda con un borde Fermi afilado en el espectro, como es característico de los metales, acompañado también de señales asociadas con excitaciones colectivas plasmones, característica de electrones metálicos libres.
"Los grupos encabezados por los teóricos Pavel Jungwirth y Ondrej Marsalek en Praga habían podido modelar de antemano la estructura electrónica de los electrones solvatados en solución", dice Winter. "Descubrimos que las energías de unión que calcularon encajan muy bien con nuestrovalores determinados experimentalmente. Esto nos dio confianza en nuestra interpretación de los datos de rayos X ".
El trabajo se está publicando en ciencia porque hace una contribución importante a la comprensión fundamental de la transición de un carácter no conductor a uno metálico en electrolitos. Además, incluso hay aplicaciones prácticas de electrones solvatados, es decir, electrones en solución, en química orgánica como agentes reductores para aromáticossistemas, en eletrolitos de batería y condensadores electrónicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :