Вперше в історії дослідники стали свідками — у реальному часі та на молекулярному рівні — атоми водню та кисню зливаються, утворюючи крихітні бульбашки води нанорозміру. Подія сталася в рамках нового дослідження Північно-західного університету, під час якого вчені намагалися зрозуміти, як паладій, рідкісний металевий елемент, каталізує газоподібну реакцію з утворенням води. Побачивши реакцію на нанорозмірі, північно-західна команда з’ясувала, як відбувається цей процес, і навіть відкрила нові стратегії його прискорення.
Оскільки реакція не вимагає екстремальних умов, дослідники кажуть, що її можна використовувати як практичне рішення для швидкого утворення води в посушливих середовищах, у тому числі на інших планетах.
Дослідження опубліковано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Шляхом безпосередньої візуалізації нанорозмірного утворення води ми змогли визначити оптимальні умови для швидкого утворення води в навколишніх умовах», — сказав Вінаяк Дравід з Northwestern, старший автор дослідження. «Ці висновки мають значні наслідки для практичних застосувань, таких як забезпечення швидкої генерації води в глибокому космосі за допомогою газів і металевих каталізаторів, не вимагаючи екстремальних умов реакції.
«Подумайте про персонажа Метта Деймона, Марка Вотні, у фільмі «Марсіанин». Він спалив ракетне паливо, щоб отримати водень, а потім додав кисень зі свого оксигенатора, але ми обходимо потребу в вогні та інших екстремальних умовах.
Дравід є професором матеріалознавства та інженерії імені Абрахама Гарріса в Інженерній школі Маккорміка Північно-Західного університету та директором-засновником Експериментального центру атомної та нанорозмірної характеристики (NUANCE) Північно-Західного університету, де було проведено дослідження. Він також є директором глобальних ініціатив Міжнародного інституту нанотехнологій.
Нові технології дозволяють відкривати
З початку 1900-х років дослідники знали, що паладій може діяти як каталізатор для швидкого утворення води. Але як саме відбувається ця реакція, залишається загадкою.
«Це відомий феномен, але він ніколи не був повністю зрозумілий», — сказав Юкун Лю, перший автор дослідження та доктор філософії. кандидат в лабораторію Дравіда. «Тому що вам справді потрібно мати можливість поєднати пряму візуалізацію утворення води та аналіз структури в атомному масштабі, щоб зрозуміти, що відбувається з реакцією та як її оптимізувати».
Але побачити процес з атомарною точністю було просто неможливо — до дев’яти місяців тому. У січні 2024 року команда Дравіда оприлюднила новий метод аналізу молекул газу в реальному часі. Дравід і його команда розробили ультратонку скляну мембрану, яка утримує молекули газу в нанореакторах у формі стільників, щоб їх можна було розглядати в просвічуючих електронних мікроскопах високого вакууму.
За допомогою нової методики, раніше опублікованої в Science Advances, дослідники можуть досліджувати зразки в газі атмосферного тиску з роздільною здатністю лише 0,102 нанометра, порівняно з роздільною здатністю 0,236 нанометра за допомогою інших найсучасніших інструментів. Техніка також уперше дозволила одночасний аналіз спектральної та взаємної інформації.
«Використовуючи ультратонку мембрану, ми отримуємо більше інформації з самого зразка», — сказав Кунмо Ку, перший автор статті «Наукові досягнення» та науковий співробітник Центру NUANCE, де його наставляє доцент-доцент Сяобін Ху. «Інакше інформація з товстого контейнера заважає аналізу».
Найменша бульбашка, яку коли-небудь бачили
Використовуючи нову технологію, Дравід, Лю і Ку досліджували реакцію паладію. По-перше, вони побачили, як атоми водню входять у паладій, розширюючи його квадратну решітку. Але коли вони побачили крихітні водяні бульбашки, що утворюються на поверхні паладію, дослідники не повірили своїм очам.
«Ми вважаємо, що це може бути найменша бульбашка, яка коли-небудь утворювалася, яку можна було побачити безпосередньо», — сказав Лю. «Це не те, чого ми очікували. На щастя, ми записували це, щоб довести іншим людям, що ми не божевільні».
«Ми були налаштовані скептично», — додав Ку. «Нам потрібно було продовжити дослідження, щоб довести, що насправді утворилася вода».
Команда запровадила техніку, яка називається спектроскопією втрати енергії електронів, для аналізу бульбашок. Досліджуючи втрату енергії розсіяними електронами, дослідники виявили унікальні для води характеристики зв’язування кисню, підтверджуючи, що бульбашки справді були водою. Потім дослідники перехресно перевірили цей результат, нагрівши бульбашку, щоб оцінити температуру кипіння.
«Це нанорозмірний аналог експерименту місяцехода Chandrayaan-1, який шукав докази наявності води в місячному ґрунті», — сказав Ку. «Під час огляду Місяця він використовував спектроскопію для аналізу та ідентифікації молекул в атмосфері та на поверхні. Ми застосували подібний спектроскопічний підхід, щоб визначити, чи дійсно створений продукт був водою».
Рецепт оптимізації
Після підтвердження того, що в результаті реакції з паладієм утворюється вода, дослідники почали оптимізувати процес. Вони додавали водень і кисень окремо в різний час або змішували разом, щоб визначити, яка послідовність подій утворює воду з найшвидшою швидкістю.
Дравід, Лю та Ку виявили, що додавання спочатку водню, а потім кисню, призводить до найшвидшої швидкості реакції. Оскільки атоми водню такі малі, вони можуть протиснутися між атомами паладію, спричиняючи розширення металу. Після наповнення паладію воднем дослідники додали кисень.
«Атоми кисню енергетично сприятливі для адсорбції на поверхні паладію, але вони занадто великі, щоб увійти в решітку», — сказав Лю. «Коли ми спочатку ввели кисень, його дисоційовані атоми покрили всю поверхню паладію, тому водень не міг адсорбуватися на поверхні, щоб ініціювати реакцію. Але коли ми спочатку зберігали водень у паладії, а потім додавали кисень, реакція почалася .. Водень виходить із паладію, щоб прореагувати з киснем, і паладій стискається і повертається до свого початкового стану».
Стійка система для далекого космосу
Північно-західна команда припускає, що в майбутньому інші потенційно зможуть підготувати наповнений воднем паладій перед польотом у космос. Тоді, щоб отримати воду для пиття або для поливу рослин, мандрівникам потрібно буде лише додати кисень. Хоча дослідження було зосереджено на вивченні утворення бульбашок на нанорозмірі, більші листи паладію генеруватимуть набагато більшу кількість води.
«Паладій може здатися дорогим, але його можна переробити», — сказав Лю. «Наш процес не споживає його. Єдине, що споживається, — це газ, а водень — найпоширеніший газ у Всесвіті. Після реакції ми можемо використовувати паладієву платформу знову і знову».