Po raz pierwszy w historii naukowcy zaobserwowali – w czasie rzeczywistym i w skali molekularnej – że atomy wodoru i tlenu łączą się, tworząc maleńkie bąbelki wody o wielkości nanometrów.
Do zdarzenia doszło w ramach nowego badania Uniwersytetu Northwestern, podczas którego naukowcy starali się zrozumieć, w jaki sposób pallad, rzadki pierwiastek metaliczny, katalizuje reakcję gazową, w wyniku której powstaje woda. Obserwując reakcję w nanoskali, zespół Northwestern odkrył, w jaki sposób zachodzi ten proces, a nawet odkrył nowe strategie jego przyspieszenia.
Ponieważ reakcja nie wymaga ekstremalnych warunków, naukowcy twierdzą, że można ją wykorzystać jako praktyczne rozwiązanie do szybkiego wytwarzania wody w suchych środowiskach, w tym na innych planetach.
Wyniki badania zostaną opublikowane w piątek (27 września) w Proceedings of the National Academy of Sciences.
„Dzięki bezpośredniej wizualizacji wytwarzania wody w nanoskali byliśmy w stanie zidentyfikować optymalne warunki do szybkiego wytwarzania wody w warunkach otoczenia” – powiedział Vinayak Dravid, starszy autor badania z Northwestern. „Odkrycia te mają znaczące implikacje dla zastosowań praktycznych, takich jak umożliwienie szybkiego wytwarzania wody w środowiskach głębokiego kosmosu przy użyciu gazów i katalizatorów metalicznych, bez konieczności stosowania ekstremalnych warunków reakcji.
„Przypomnij sobie postać Matta Damona, Marka Watneya, w filmie „Marsjanin”. Spalił paliwo rakietowe, aby wydobyć wodór, a następnie dodał tlen ze swojego natleniacza. Nasz proces jest analogiczny, z tą różnicą, że omijamy potrzebę użycia ognia i innych ekstremalnych warunków. Po prostu zmieszaliśmy razem pallad i gazy.
Dravid jest profesorem nauk o materiałach i inżynierii Abrahama Harrisa w McCormick School of Engineering w Northwestern i dyrektorem założycielem Centrum Eksperymentalnego Charakteryzacji Atomowej i Nanoskali Uniwersytetu Northwestern, gdzie przeprowadzono badanie. Jest także dyrektorem ds. inicjatyw globalnych w Międzynarodowym Instytucie Nanotechnologii.
Nowa technologia umożliwiła odkrycie
Od początku XX wieku badacze wiedzieli, że pallad może działać jako katalizator powodujący szybkie wytwarzanie wody. Ale to, jak dokładnie zachodzi ta reakcja, pozostaje tajemnicą.
„To znane zjawisko, ale nigdy nie zostało w pełni poznane” – powiedział Yukun Liu, pierwszy autor badania i doktorant. kandydat w laboratorium Dracona. „Ponieważ naprawdę trzeba umieć połączyć bezpośrednią wizualizację wytwarzania wody z analizą struktury w skali atomowej, aby dowiedzieć się, co dzieje się z reakcją i jak ją zoptymalizować”.
Jednak oglądanie tego procesu z atomową precyzją było po prostu niemożliwe – aż do dziewięciu miesięcy temu. W styczniu 2024 roku zespół Dravida zaprezentował nowatorską metodę analizy cząsteczek gazu w czasie rzeczywistym. Dravid i jego zespół opracowali ultracienką szklistą membranę, która utrzymuje cząsteczki gazu w nanoreaktorach w kształcie plastra miodu, dzięki czemu można je oglądać w wysokopróżniowych mikroskopach elektronowych z transmisją.
Dzięki nowej technice, opublikowanej wcześniej w Science Advances, badacze mogą badać próbki w gazie pod ciśnieniem atmosferycznym z rozdzielczością zaledwie 0,102 nanometra w porównaniu z rozdzielczością 0,236 nanometra przy użyciu innych najnowocześniejszych narzędzi. Technika ta umożliwiła także po raz pierwszy współbieżną analizę widmową i wzajemną analizę informacji.
„Dzięki ultracienkiej membranie uzyskujemy więcej informacji z samej próbki” – powiedział Kunmo Koo, pierwszy autor artykułu Science Advances i pracownik naukowy w Centrum NUANCE, gdzie jego mentorem jest profesor nadzwyczajny Xiaobing Hu. „W przeciwnym razie informacje z grubego pojemnika zakłócają analizę”.
Najmniejsza bańka, jaką kiedykolwiek widziano
Korzystając z nowej technologii, Dravid, Liu i Koo zbadali reakcję palladu. Najpierw zaobserwowali, jak atomy wodoru wchodzą do palladu, rozszerzając jego kwadratową sieć. Kiedy jednak zobaczyli maleńkie pęcherzyki wody tworzące się na powierzchni palladu, badacze nie mogli uwierzyć własnym oczom.
„Uważamy, że może to być najmniejsza bańka, jaka kiedykolwiek powstała, którą można było bezpośrednio obserwować” – powiedział Liu. „Nie tego się spodziewaliśmy. Na szczęście to nagraliśmy, więc mogliśmy udowodnić innym, że nie zwariowaliśmy”.
„Byliśmy sceptyczni” – dodał Koo. „Musieliśmy zbadać to głębiej, aby udowodnić, że tak naprawdę powstała woda”.
Zespół wdrożył technikę zwaną spektroskopią strat energii elektronów, aby analizować pęcherzyki. Badając utratę energii rozproszonych elektronów, badacze zidentyfikowali charakterystyczne dla wody cechy wiązania tlenu, potwierdzając, że pęcherzyki rzeczywiście były wodą. Następnie naukowcy sprawdzili ten wynik, podgrzewając bańkę, aby ocenić temperaturę wrzenia.
„To analog w skali nano eksperymentu z łazikiem księżycowym Chandrayaan-1, w ramach którego szukano dowodów na obecność wody w księżycowej glebie” – powiedział Koo. „Podczas badania Księżyca wykorzystał spektroskopię do analizy i identyfikacji cząsteczek w atmosferze i na powierzchni. Przyjęliśmy podobne podejście spektroskopowe, aby ustalić, czy powstały produkt rzeczywiście był wodą”.
Przepis na optymalizację
Po potwierdzeniu, że w wyniku reakcji palladu powstaje woda, badacze starali się następnie zoptymalizować proces. Dodawali wodór i tlen oddzielnie w różnym czasie lub mieszali je razem, aby określić, która sekwencja zdarzeń wytworzyła wodę najszybciej.
Dravid, Liu i Koo odkryli, że dodanie najpierw wodoru, a następnie tlenu, prowadzi do najszybszej szybkości reakcji. Ponieważ atomy wodoru są tak małe, mogą przecisnąć się pomiędzy atomami palladu, powodując rozszerzanie się metalu. Po napełnieniu palladu wodorem naukowcy dodali gazowy tlen.
„Atomy tlenu energetycznie sprzyjają adsorpcji na powierzchniach palladu, ale są zbyt duże, aby przedostać się do sieci” – powiedział Liu. „Kiedy najpierw wprowadziliśmy tlen, jego zdysocjowane atomy pokryły całą powierzchnię palladu, więc wodór nie mógł zaadsorbować się na powierzchni i wywołać reakcję. Ale kiedy najpierw zgromadziliśmy wodór w palladzie, a następnie dodaliśmy tlen, reakcja się rozpoczęła. Wodór wydostaje się z palladu i reaguje z tlenem, a pallad kurczy się i powraca do stanu początkowego.
Zrównoważony system dla głębokiego kosmosu
Zespół Northwestern wyobraża sobie, że w przyszłości inni badacze mogliby potencjalnie przygotować pallad wypełniony wodorem przed podróżą w kosmos. Następnie, aby wytworzyć wodę do picia lub podlewania roślin, podróżni będą musieli jedynie uzupełnić tlen. Chociaż badanie skupiało się na badaniu wytwarzania pęcherzyków w nanoskali, większe arkusze palladu powodowałyby wytwarzanie znacznie większych ilości wody.
„Palad może wydawać się drogi, ale nadaje się do recyklingu” – powiedział Liu. „Nasz proces go nie zużywa. Zużywa jedynie gaz, a wodór jest gazem występującym w największej ilości we wszechświecie. Po reakcji platformę palladową możemy wielokrotnie wykorzystywać ponownie”.
Badanie zatytułowane „Odkrycie reakcji utleniania wodoru ograniczonej adsorpcją na powierzchni palladu za pomocą mikroskopii elektronowej in situ” było wspierane przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (numer grantu AFOSR FA9550-22-1-0300), a prace związane z wodorem: Centrum Wodoru w Energii i Naukach Informacyjnych, Centrum Badań nad Pograniczami Energii finansowane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Naukowe (numer grantu DE-SC0023450).