09 de junio de 2020 (Noticias de Nanowerk) Un equipo internacional ha desarrollado una sofisticada técnica experimental en BESSY II para observar la formación de una banda de conducción metálica en electrolitos. Para lograr esto, el equipo primero preparó soluciones criogénicas de amoníaco líquido que contenían diferentes concentraciones de metales alcalinos. El color de las soluciones cambia con la concentración de azul a dorado a medida que los átomos individuales de metal en la solución se transforman en un compuesto metálico. Luego, el equipo examinó estos chorros de líquido utilizando 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: (“Espectros de fotoelectrones de microchorros de metal alcalino-amoníaco: del electrolito azul al metal bronce”) y aparece incluso en la portada. 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 denomina banda de conducción. Así es como los metales conducen la corriente eléctrica. A diferencia de los metales, los iones de los electrolitos están desordenados y la conductividad eléctrica incluso disminuye al aumentar 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 comportan los orbitales electrónicos durante este proceso? Una gran colaboración internacional ha desarrollado ahora una técnica experimental sofisticada que hace posible observar estos procesos por primera vez. 17 autores de institutos de renombre en Kioto, Los Ángeles, París, Praga y Berlín han contribuido con su experiencia.
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El experimento se puede ver aquí en este video. 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 HZB Operando Interfacial Photochemistry Young Investigator Group y su equipo. Como primer paso, los físicos disolvieron metales alcalinos como el litio y el sodio en amoníaco, formando soluciones. Los átomos de metal se convierten en iones cargados positivamente y sus electrones externos son atraídos hacia la solución de amoníaco líquido. Estas soluciones son ligeramente azules a bajas concentraciones de metal, pero a medida que aumenta la concentración de metal, el color azul se vuelve más intenso hasta que cambia a un tono dorado. Este sorprendente cambio de color está relacionado con los estados de los electrones en los metales disueltos, supusieron los científicos. Usando el SOL3Con el instrumento PES en la línea de luz BESSY II U49/2-PGM-1 que supervisa Seidel, el equipo pudo estudiar diferentes concentraciones de las soluciones de metales alcalinos/amoníaco como chorros de líquido extremadamente estrechos bajo vacío ultraalto utilizando espectroscopia de fotoelectrones. Las soluciones tenían que ser enfriadas a unos -60 grados centígrados. A esta temperatura, el amoníaco es líquido y su evaporación es suficientemente baja. Esto les permitió medir con precisión la transición de electrolito a metal.
Los teóricos del equipo han simulado de manera elaborada la estructura del electrón solvatado en amoníaco líquido. (Imagen: Charles Universität Prag/O. Marsalek & T. Martinek) “Pudimos por primera vez capturar la señal de fotoelectrones del exceso de electrones en amoníaco líquido. Observamos un pico estrecho a unos 2 electronvoltios (eV), lo que indica la presencia de electrones y dielectrones disueltos”, dice Winter. Seidel agrega: "Esto también explica por qué la solución es inicialmente azul a 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 ligeramente azul siempre que solo haya electrones individuales disueltos. 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 estrecho pico de absorción se ensancha en una banda con un borde de Fermi pronunciado en el espectro, como es característico de los metales, acompañado también por señales asociadas a excitaciones colectivas (plasmones), características de los 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 enlace que calcularon encajan muy bien con nuestros valores determinados experimentalmente. Esto nos dio confianza en nuestra interpretación de los datos de rayos X”. El trabajo hace una contribución importante a la comprensión fundamental de la transición de un carácter no conductor a metálico en los electrolitos. Además, existen incluso aplicaciones prácticas de electrones solvatados, es decir, electrones en solución, en química orgánica como agentes reductores para sistemas aromáticos, en electrolitos de baterías y condensadores electrónicos.
