אפילו מים יכולים להפוך למתכת – אם עושים זאת בעדינות ובלי שיתפוצצו בדרך

לקראת סוף העת העתיקה ולאורך ימי הביניים, ניסו אלכימאים לפצח את סודות היקום בעזרת תמהיל מוזר של מיסטיקה ודת עם אלמנטים מדעיים, בעיקר מעולמות הכימיה, הפיזיקה והרפואה. שתי המטרות העליונות של האלכימיה היו למצוא את הסוד לחיי נצח ולייצר זהב מחומרים זולים וזמינים. יותר מ-1,500 שנים עברו, ומטרות אלו טרם הושגו; אך גם אם אי-אפשר להפוך מים לזהב, חוקרים הראו לאחרונה שאפשר להפוך אותם למתכת זהובה.

באופן תיאורטי, כמעט כל חומר יכול להפוך למתכתי. צריך רק ליצור מצב שבו אטומי החומר חולקים ביניהם את האלקטרונים שלהם, כך שהם חופשיים לנוע ולהוליך חשמל כמו בזהב, בנחושת ובמתכות אחרות שמוכרות לנו. האתגר הוא כמובן ליצור את אותם אלקטרונים שחופשיים לנוע בחומר שבו האלקטרונים נוטים להיות קשורים ומקובעים לגרעיני האטומים, ואינם יכולים לנוע בחופשיות.

אחת הדרכים המקובלות (יחסית) לייצר אלקטרונים חופשיים בחומרים שאינם מתכות היא על ידי הפעלת לחץ עצום. כך מנסים לייצר חומרים על-מוליכים מתקדמים. כאשר דוחסים את האטומים יחד ומקרבים אותם בכוח זה לזה, הם עשויים להתחיל לשתף ביניהם אלקטרונים. האלקטרונים האלו כבר אינם מקובעים לגרעינים של אטומים יחידים, אלא יכולים לנוע בחופשיות, וכך החומר מקבל מאפיינים של מתכת.

הבעיה היא שעל פי חישובים תיאורטיים, הלחץ הדרוש כדי להפוך מים למתכתיים הוא כ-15 מיליון אטמוספרות, הרבה מעבר ללחץ שאפשר לייצר בעזרת הטכנולוגיות הקיימות כיום. לכן, כדי לייצר אלקטרונים חופשיים במים היה צורך בפתרון אחר.

שכבת מים זהובה ומתכתית | צילום: Philip E. Mason
המים אוספים אלקטרונים מטיפת המתכת. שכבת מים זהובה ומתכתית | צילום: Philip E. Mason

יחסים נפיצים

הרעיון האלטרנטיבי הוא ביסודו פשוט למדי: להפגיש בין המים ובין חומר שיספק את האלקטרונים הנוספים בכמות שתהפוך את המים למתכתיים. אילוח אלקטרוני, תהליך שבו חומר אחד תורם אלקטרונים לחומר אחר וכך משנה את תכונותיו, הוא תהליך שגרתי למדי בתעשיית המוליכים-למחצה, ובשנת 2020 נעשה שימוש בווריאציה שלו כדי לייצר אמוניה מתכתית. אך המים הציבו בפני החוקרים מחסום נפיץ: מתכות אלקליות אמנם יכולות למסור אלקטרונים למים בצורה יעילה, אך עושות זאת בצורה אלימה ונפיצה מאוד.

כדי להימנע מפיצוץ, היה על החוקרים למצוא דרך להפגיש את המים ואת המתכות האלקליות בקצב מבוקר ואיטי, כך שהאלקטרונים הנוספים יעברו למים בלי שתתרחש תגובה כימית אלימה. לשם כך השתמשו החוקרים במזרק ובו תערובת נוזלית של אשלגן ונתרן, והחדירו את הקצה שלו לתוך תא רִיק (ואקום). כאשר לחצו בעדינות על בוכנת המזרק, נוצרה בקצהו טיפה זעירה של התערובת. טיפה זו נחשפה למעט אדי מים, שהתעבו ויצרו שכבת מים דקיקה על פני טיפת המתכת.

אז קרה הפלא: המים אכן הצליחו לאסוף אלקטרונים מטיפת המתכת, ובתוך שניות אחדות שכבת המים עצמה הפכה לזהובה ומתכתית. החוקרים בדקו את התכונות של המים הזהובים בסינכרוטרון, בעזרת קרינה מתאימה בעוצמות גבוהות, ונוכחו שאכן הצליחו ליצור לראשונה מים עם תכונות מתכתיות.

אמנם, לעת עתה אין לפריצת הדרך הזאת שימושים מעשיים, אך הפלא המדעי הזה מראה כמה התקדמנו בהבנה הבסיסית של החומר ואיך אנחנו יכולים לנצל את ידיעותינו כדי לשנות את תכונותיו. ממש אלכימיה מודרנית.