Que signifie être un métal ? Comment se forme un métal ? Celles-ci semblent être des questions de manuel avec une réponse simple :le métal est caractérisé par des électrons libres qui donnent lieu à une conductivité électrique élevée. Mais comment, exactement, est une bande de conduction métallique formée d'électrons localisés à l'origine, et quelle est l'image microscopique correspondante pour le matériau impliqué ?

En collaboration avec des scientifiques de la République tchèque, les États-Unis et l'Allemagne, l'équipe de recherche de Pavel Jungwirth de l'Institut de chimie organique et de biochimie de l'Académie tchèque des sciences (IOCB Prague) a réussi à cartographier au niveau moléculaire la transition électrolyte-métal dans des solutions métal alcalin-ammoniac liquide en utilisant une combinaison de spectroscopie photoélectronique (PES) et calculs de structure électronique. Les résultats de leurs recherches ont été récemment publiés dans Science .

Les métaux alcalins dissous dans l'ammoniac liquide représentent des systèmes archétypaux pour explorer la transition des électrolytes bleus à faible concentration à des solutions métalliques de couleur bronze ou or (avec une conductivité comparable à un fil de cuivre) avec des concentrations plus élevées d'électrons en excès. À la fois, PES représente un outil idéal pour établir la structure électronique pertinente à cette transition. En tant que technique à ultra-vide, Le PES a longtemps été considéré comme incompatible avec les liquides volatils jusqu'à ce que la technique des microjets liquides soit développée pour l'eau et les solutions aqueuses. Cependant, ce n'est qu'en 2019 que le groupe de Pavel Jungwirth en collaboration avec des collègues de l'Université de Californie du Sud et du synchrotron BESSY II de Berlin a réalisé les premières mesures PES réussies sur un liquide polaire réfrigéré, l'ammoniac liquide pur.

« C'est ce qui se passe lorsque vous donnez à un groupe de théorie un peu d'espace de laboratoire pour jouer, », explique Pavel Jungwirth à propos de la décision du directeur de l'Institut de lui octroyer un petit laboratoire.

Cette réalisation a ouvert la porte à des études PES des systèmes métal alcalin-ammoniac liquide (comme indiqué dans le présent article dans Science ), qui cartographient la transition électrolyte-métal pour le lithium, sodium et potassium dissous dans de l'ammoniac liquide au moyen de PES utilisant un rayonnement synchrotron à rayons X doux. De cette façon, les chercheurs ont capturé pour la première fois le signal photoélectronique des électrons en excès dans l'ammoniac liquide sous la forme d'un pic à environ 2 eV d'énergie de liaison. Ce pic s'élargit ensuite de manière asymétrique vers des énergies de liaison plus élevées lors de l'augmentation de la concentration en métal alcalin, formant progressivement une bande de conduction avec un bord de Fermi pointu accompagné de pics plasmoniques, qui sont tous deux des empreintes digitales du comportement métallique naissant.

Avec des calculs de structure électronique de pointe, ces mesures fournissent une image moléculaire détaillée de la transition d'un non-métal à un métal, permettant aux chercheurs de mieux comprendre l'apparition du comportement métallique caractérisé par des propriétés telles qu'une conductivité électrique élevée.

"Avec un peu de chance, le présent travail sur l'ammoniac métallique ouvrira la voie à la réalisation de notre idée la plus « explosive » :la préparation d'eau métallique en la mélangeant très soigneusement avec des métaux alcalins, " conclut Pavel Jungwirth.