Nová studie přibližuje, jak vzniká kov

5. června 2020

Mezinárodní výzkumný tým, jehož členy jsou vědci z ÚOCHB AV ČR a MFF UK, detailně zmapoval proces, jak se z nekovové látky stává kov. Na společnou studii poutá titulní strana aktuálního vydání prestižního časopisu Science.

Co je to kov a jak vlastně vzniká? To jsou učebnicové otázky, na které existuje jednoduchá odpověď: Kov je charakterizován volnými elektrony, které způsobují jeho velkou elektrickou vodivost. Jak přesně ovšem vzniká z původně vázaných elektronů kovový vodivostní pás a jak přitom materiál vypadá na mikroskopické úrovni?

Právě to se nyní podařilo ukázat týmu prof. Pavla Jungwirtha z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR a skupině dr. Ondřeje Maršálka z Matematicko-fyzikální fakulty UK ve spolupráci s výzkumníky z USA a Německa. S využitím fotoelektronové spektroskopie a pokročilých výpočtů elektronové struktury vědci popsali a na molekulové úrovni zmapovali zrod kovového roztoku alkalických kovů v amoniaku z původního elektrolytu.

Fotoelektronová mikroskopie je ideálním nástrojem pro mapování mikroskopických změn elektronové struktury materiálu. Tato technika, využívající ultravysokého vakua, se však dlouho považovala za neslučitelnou se zkoumáním těkavých kapalin, jako je například kapalný amoniak. Poprvé se fotoelektronová měření čistého kapalného amoniaku podařilo realizovat až v roce 2019 týmu prof. Jungwirtha ve spolupráci s americkými vědci.

Nová studie Photoelectron spectra of alkali metal–ammonia microjets: From blue electrolyte to bronze metal, kterou dnes zveřejnil prestižní časopis Science, na tento úspěch navazuje. Výzkumníci v ní poprvé s využitím fotoelektronové spektroskopie pomocí rentgenového synchrotronního záření zachytili fotoelektronový signál kolem 2 eV odpovídající elektronům rozpuštěným v tekutém amoniaku. S rostoucí koncentrací alkalického kovu se přechod ke kovovému chování projeví ve fotoelektronovém spektru tvorbou vodivostního pásu s ostrou Fermiho hranou a přidruženými plasmonickými píky.

Pro stanovení elektronových struktur byly v rámci studie využity nejmodernější výpočetní postupy, za jejichž návrhem a realizací stojí tým dr. Ondřeje Maršálka. „Společně se dvěma doktorandy jsme numericky počítali, jak se během extrémně krátkých časových úseků systém vyvíjí na molekulární úrovni a jaké zaujímá za dané teploty struktury. Šlo o rozsáhlé výpočty pomocí metody ab initio molekulární dynamiky,“ upřesňuje dr. Maršálek.

Díky zvoleným metodám a postupům mohli vědci do detailu zkoumat přechod od izolátoru ke kovu, což jim do budoucna umožní lépe porozumět tomu, jak vzniká kovové chování a s ním spojené vlastnosti, jako je velmi vysoká elektrická vodivost.

Podle tiskové zprávy ÚOCHB AV ČR