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純水是一種幾乎完美的絕緣體。而雖然大自然中的水會導電﹐但那是因為裡頭有雜質﹐這些雜質溶解後成為自由離子﹐能夠產生電流。純水只有在極度高壓下才會變得「具金屬性」﹐也就是能夠導電﹐但是以目前的技術﹐並無法在實驗室產生如此的高壓。
但是﹐就如同研究人員首次展示出的一樣﹐並不是只有高壓可以誘導出純水中的金屬性。藉由使純水與會共用電子的鹼金屬(alkali metal)接觸﹐比如本次研究中所使用的鈉鉀合金﹐自由移動的帶電粒子就能夠進到水中﹐將水轉成金屬態。產生的導電性雖然僅能持續幾秒鐘﹐但是這已經是很大的一項進展﹐能夠讓科學家經由直接研究來了解這個相態的水。德國亥姆霍茲-柏林聯邦材料與能源研究所(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie)的物理學家羅伯·塞德爾博士(Robert Seidel)說﹕「你可以直接透過肉眼看到成為金屬態水的相變化過程！銀色的鈉鉀液滴自身被金色的光澤覆蓋﹐非常地令人驚豔。」。
理論上﹐在足夠高的壓力之下﹐幾乎任何材料都能夠導電。想法是若將原子擠壓在一起夠緊的話﹐外層原子的軌道會開始重疊﹐讓它們可以四處移動。對水而言﹐這個壓力大約為4800萬巴(bar)﹐這大約是地球海平面大氣壓力的4800萬倍。
雖然超過這樣的壓力曾經在實驗室中被製造出來過﹐但是那樣的實驗並不適於研究金屬態水。所以﹐一群由捷克科學院(Czech Academy of Sciences)的有機化學家帕維爾·揚薇特博士(Pavel Jungwirth)所領導的研究團隊就轉向了鹼金屬。
鹼金屬非常容易釋放它們的外層電子﹐這表示它們可以在沒有高壓的情況下﹐誘導出高壓純水的共享電子性質。只有一個問題﹕鹼金屬很容易跟液態水反應﹐有時候甚至是到會爆炸的程度。如果將一塊鹼金屬丟到水中﹐你會聽到爆炸聲。研究團隊發現了一個非常妙的方法來解決這個問題。要是﹐不是將金屬加到水中﹐還是將水加到金屬中呢﹖在一個真空腔中﹐研究團隊從一個噴嘴中擠壓出一顆小球狀的鈉鉀合金﹐其在室溫下為液態。接著﹐研究人員使用氣相沉積法﹐非常小心地將一層純水薄膜加到合金上。
當兩者一接觸﹐電子與金屬陽離子(帶正電的離子)從合金上流向水。這不僅為水帶來了金色光芒﹐也讓水變得具導電性﹐正如同我們在高壓下﹐在金屬態純水中應該要看到的﹐而藉由使用光學反射顯微鏡(optical reflection spectroscopy)以及同步加速X光光電子顯微鏡(synchrotron X-ray photoelectron spectroscopy)﹐科學家得以進行確認。這兩項性質﹐也就是金色光澤與傳導帶﹐因為分屬於兩個不同的頻率範圍﹐因此能夠清楚地被辨識出來。
除了讓我們在地球上更加了解這個相變化以外﹐此研究也能夠讓我們更近地研究巨大星球內部的極高壓狀態。比方說﹐在太陽系的冰凍星球海王星(Neptune)與天王星(Uranus)中﹐被認為有液態的金屬性氫在旋轉著﹔而且﹐也只有被認為壓力夠高的木星﹐能夠金屬化純水。
能夠複製我們太陽系中的巨大行星狀態的前景的確是非常令人興奮。塞德爾博士說﹕「我們的研究不僅顯示出金屬態的水的確可以在地球上被製造﹐而且亦描述了與其美麗的金色金屬光澤相關的光譜性質。」。