有史以來(lái)第一次，研究人員在分子尺度上實(shí)時(shí)見(jiàn)證了氫原子和氧原子融合形成微小的納米級(jí)水泡。

這一事件是西北大學(xué)一項(xiàng)新研究的一部分，在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們?cè)噲D了解鈀這種稀有金屬元素是如何催化氣體反應(yīng)生成水的。通過(guò)觀察納米級(jí)的反應(yīng)，西北大學(xué)的研究小組揭示了這一過(guò)程是如何發(fā)生的，甚至發(fā)現(xiàn)了加速這一過(guò)程的新策略。

由于這種反應(yīng)不需要極端條件，研究人員說(shuō)，它可以作為一種實(shí)用的解決方案，在干旱環(huán)境中快速產(chǎn)生水，包括在其他行星上。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

“通過(guò)直接可視化納米尺度的水生成，我們能夠確定在環(huán)境條件下快速水生成的最佳條件，”西北大學(xué)的Vinayak Dravid說(shuō)，他是這項(xiàng)研究的高級(jí)作者。“這些發(fā)現(xiàn)對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有重要意義，例如在不需要極端反應(yīng)條件的情況下，使用氣體和金屬催化劑在深空環(huán)境中快速生成水。

想想電影《火星救援》(the Martian)中馬特·達(dá)蒙(Matt Damon)飾演的馬克·沃特尼(Mark Watney)。他燃燒火箭燃料提取氫氣，然后從氧合器中加入氧氣。我們的過(guò)程是類似的，除了我們不需要火和其他極端條件。我們只是把鈀和氣體混合在一起。”

德拉維德是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程的亞伯拉罕·哈里斯教授，也是西北大學(xué)原子與納米尺度表征實(shí)驗(yàn)中心(NUANCE)的創(chuàng)始主任，該研究正是在該中心進(jìn)行的。他也是國(guó)際納米技術(shù)研究所的全球項(xiàng)目主任。

新技術(shù)使發(fā)現(xiàn)成為可能

自20世紀(jì)初以來(lái)，研究人員已經(jīng)知道鈀可以作為催化劑快速生成水。但這種反應(yīng)究竟是如何發(fā)生的仍然是個(gè)謎。

“這是一個(gè)已知的現(xiàn)象，但它從未被完全理解，”該研究的第一作者、德拉維德實(shí)驗(yàn)室的博士候選人劉宇昆(Yukun Liu)說(shuō)?！耙?yàn)槟阏娴男枰軌驅(qū)⑺傻闹苯涌梢暬驮映叨壬系慕Y(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)，以便弄清楚反應(yīng)發(fā)生了什么，以及如何優(yōu)化它?！?/p>

但直到9個(gè)月前，以原子精度觀察這一過(guò)程根本是不可能的。2024年1月，德拉維德的團(tuán)隊(duì)公布了一種實(shí)時(shí)分析氣體分子的新方法。德拉維德和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種超薄玻璃膜，將氣體分子保存在蜂窩狀的納米反應(yīng)器中，這樣它們就可以在高真空透射電子顯微鏡下觀察到。

這項(xiàng)新技術(shù)之前發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，研究人員可以在大氣壓力氣體中以0.102納米的分辨率檢測(cè)樣品，而使用其他最先進(jìn)的工具則可以達(dá)到0.236納米的分辨率。該技術(shù)還首次實(shí)現(xiàn)了同時(shí)光譜和互反信息分析。

“使用超薄薄膜，我們可以從樣本本身獲得更多信息，”《科學(xué)進(jìn)展》論文的第一作者、NUANCE中心的研究助理顧昆謨(Kunmo Koo)說(shuō)。他在NUANCE中心接受研究副教授胡曉兵的指導(dǎo)?！胺駝t，來(lái)自厚容器的信息會(huì)干擾分析?！?/p>

有史以來(lái)最小的氣泡

利用新技術(shù)，Dravid、Liu和Koo研究了鈀的反應(yīng)。首先，他們觀察到氫原子進(jìn)入鈀，擴(kuò)大了它的方形晶格。但當(dāng)他們看到鈀表面形成微小的水泡時(shí)，研究人員簡(jiǎn)直不敢相信自己的眼睛。

劉說(shuō):“我們認(rèn)為這可能是有史以來(lái)被直接觀測(cè)到的最小的氣泡?！薄斑@不是我們所期望的。幸運(yùn)的是，我們把它錄了下來(lái)，這樣我們就可以向其他人證明我們沒(méi)有瘋。”

“我們對(duì)此持懷疑態(tài)度，”Koo補(bǔ)充道?！拔覀冃枰M(jìn)一步調(diào)查，以證明它實(shí)際上是水形成的?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)采用了一種稱為電子能量損失光譜的技術(shù)來(lái)分析氣泡。通過(guò)檢查散射電子的能量損失，研究人員確定了水特有的氧鍵特征，證實(shí)了氣泡確實(shí)是水。然后，研究人員通過(guò)加熱氣泡來(lái)評(píng)估沸點(diǎn)來(lái)反復(fù)驗(yàn)證這一結(jié)果。

他說(shuō):“這是對(duì)月船一號(hào)月球車實(shí)驗(yàn)的納米級(jí)模擬，月船一號(hào)月球車在月球土壤中尋找水的證據(jù)?！痹诳睖y(cè)月球時(shí)，它使用光譜學(xué)來(lái)分析和識(shí)別大氣和月球表面的分子。我們采用了類似的光譜方法來(lái)確定生成的產(chǎn)物是否確實(shí)是水?！?/p>

優(yōu)化配方

在確認(rèn)鈀反應(yīng)產(chǎn)生水之后，研究人員下一步試圖優(yōu)化這一過(guò)程。他們?cè)诓煌臅r(shí)間分別添加氫和氧，或者混合在一起，以確定哪種事件順序產(chǎn)生水的速度最快。

Dravid, Liu和Koo發(fā)現(xiàn)先加入氫，然后加入氧，反應(yīng)速度最快。因?yàn)闅湓臃浅Ｐ?，它們可以擠在鈀原子之間，導(dǎo)致金屬膨脹。在向鈀中填充氫氣后，研究人員加入了氧氣。

“氧原子在能量上有利于吸附在鈀表面，但它們太大而無(wú)法進(jìn)入晶格，”劉說(shuō)?！爱?dāng)我們首先注入氧氣時(shí)，它的解離原子覆蓋了鈀的整個(gè)表面，所以氫不能吸附在表面上觸發(fā)反應(yīng)。但是當(dāng)我們先把氫儲(chǔ)存在鈀中，然后加入氧氣，反應(yīng)就開(kāi)始了。氫從鈀中出來(lái)與氧反應(yīng)，鈀收縮并恢復(fù)到初始狀態(tài)。”

可持續(xù)的深空系統(tǒng)

西北大學(xué)的研究小組設(shè)想，在未來(lái)，其他人可能會(huì)在進(jìn)入太空之前制備充滿氫的鈀。然后，為了產(chǎn)生飲用水或灌溉植物的水，旅行者只需要添加氧氣。雖然這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是在納米尺度上研究氣泡的產(chǎn)生，但更大的鈀片會(huì)產(chǎn)生更多的水。

“鈀可能看起來(lái)很貴，但它是可回收的，”劉說(shuō)?！拔覀兊牧鞒滩粫?huì)消耗它。唯一被消耗的是氣體，而氫是宇宙中最豐富的氣體。反應(yīng)完成后，我們可以反復(fù)使用鈀平臺(tái)?！?/p>