Ученые экспериментально показали, что изменение свойств раствора щелочных металлов в аммиаке с электролитических до металлических происходит постепенно. По спектрам рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии растворов различных концентраций авторы обнаружили, что с повышением содержания металла пик сольватированного электрона разделяется на пики у уровня Ферми и плазмонов, что свидетельствует о возникновении металлических свойств.

Результаты исследования опубликованы в Science.

Жидкий аммиак обладает необычным свойством сольватировать электроны, образуя стабильные растворы щелочных металлов. Цвет раствора зависит от количества растворенного металла, который высвобождает электроны: если электронов мало, раствор ярко-синий, а если много, то бронзовый. Детали такого перехода, который сопровождается также резким возрастанием свойств электронной проводимости раствора, до сих пор оставались загадкой.

Тилльман Баттерсак (Tillmann Buttersack) с коллегами из Института органической химии и биохимии Чешской академии наук смогли точно проследить за изменением энергии при повышении концентрации электронов в аммиаке с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Мягкое рентгеновское синхротронное излучение выбивало электроны из образца, и по их кинетической энергии исследователи судили об энергетических состояниях системы. Для проведения анализа этим методом требуется низкое давление. Учитывая относительно высокую летучесть аммиака, способного испаряться и повышать давление, авторы работы облучали микроструи шириной около ста микрон аммиачных растворов лития, натрия или калия различных концентраций.

Сравнив полученные спектры с теоретическими расчетами, авторы установили, что при низких концентрациях металла каждый сольватированный электрон был окружен 10–12 молекулами аммиака, занимая область диаметром около восьми ангстрем. Раствор поглощал свет в красной части видимого спектра, поэтому он был темно-синий. Повышение содержания металла приводило к высвобождению большего количества электронов, которые формировали пары внутри одной сольватной оболочки. При еще больших концентрациях энергетические уровни вырождались и раствор проявлял себя как металлический проводник. Причем металлические свойства начали проявляться еще до того, как образец визуально стал бронзового цвета.

Фотоэлектронные спектры растворов лития в аммиаке с различными концентрациями от 0,08 до 9,7 мольных процентов металла Tillmann Buttersack et al. / Science, 2020

На фотоэлектронных спектрах при повышении концентрации сольватированных электронов, узкий пик, отвечающий энергии отрыва локализованных сольватированных электронов и диэлектронов около двух электронвольт, плавно преобразовывался в острый пик уровня Ферми и пик плазмонного резонанса, которые характерны для делокализованных электронов в металле. Плавный переход ученые наблюдали как в растворах лития, так и калия. Натрий в аммиаке при высоких концентрациях расслаивался на две жидкие фазы.

По словам авторов, дальнейшие теоретические расчеты, связанные с электронными структурами и геометриями молекул, позволят еще лучше понять механизмы изменения проводящих свойств. В дальнейшем исследователи планируют исследовать подобные эффекты в системах с водой, которая также обладает свойством сольватировать электроны.