Посмотрите, как растет самая маленькая когда-либо виденная капля воды, молекула за молекулой
Мы все знаем состав воды. Вы берете два атома водорода и один кислорода, смешиваете их вот так, и вуаля – у вас есть молекула самого важного соединения для жизни на Земле. p>
Теперь ученые впервые наблюдали этот процесс в действии вблизи. В режиме реального времени и на молекулярном уровне ученый-материаловед Винаяк Дравид из Северо-Западного университета и его коллеги наблюдали, как мельчайший пузырь воды, когда-либо виденный, расцветал, казалось бы, из воздуха.
Как им это удалось? Используя странные способности палладия, металла, который, как известно, катализирует оба элемента для синтеза воды.
«Вспомните персонажа Мэтта Дэймона, Марка Уотни, в фильме Марсианин», — говорит Дравид. «Он сжигал ракетное топливо, чтобы получить водород, а затем добавлял кислород из своего оксигенатора. Наш процесс аналогичен, за исключением того, что мы исключили необходимость использования огня и других экстремальных условий. Мы просто смешали палладий и газы вместе».
Мы Я знал о странной способности палладия синтезировать значительное количество воды за относительно короткий промежуток времени. Но как именно это работает, определить сложно. Это потому, что трудно наблюдать процесс в том масштабе, в котором он происходит.
«Вам действительно нужно уметь сочетать прямую визуализацию образования воды и структурный анализ на атомном уровне, чтобы выяснить, что происходит», — объясняет ученый-материаловед Юкун Лю из Северо-Западного университета.
Чтобы преодолеть это серьезное препятствие, команда разработала мембрану, которая удерживает молекулы внутри крошечных гексагональных ячеек нанореактора. Это облегчает визуализацию молекулярных процессов с помощью просвечивающей электронной микроскопии вплоть до нанометрового масштаба.
Даже в этом случае исследователи не были уверены, что их попытка напрямую наблюдать за реакцией палладия будет успешной. Они добавили атомы водорода и кислорода на поверхность куска палладия шириной 20 нанометров и использовали свою мембрану для фиксации возникающего взаимодействия. span>
Одна молекула воды имеет диаметр менее трети нанометра, в то время как атомы, из которых они состоят, намного меньше. Чтобы «увидеть» связь этих крошечных соединений, исследователи использовали разновидность электронной микроскопии это зафиксированная энергия, потерянная из-за рассеяния электронов.
К своему удивлению, они смогли наблюдать в режиме реального времени, как атомы объединяются, образуя крошечный пузырь воды на поверхности палладия.
«Мы думаем, что возможно, это самый маленький пузырь из когда-либо образовавшихся, который можно было наблюдать напрямую», — говорит Лю. «Это не то, чего мы ожидали. К счастью, мы записали это, чтобы доказать другим людям, что мы не сумасшедшие».
Затем они попытались упростить процесс, добавив Газы водорода и кислорода отдельно. Им удалось определить, что процесс происходит в два этапа. Сначала атомы водорода вдавливаются в поверхность палладия, внедряются в атомную решетку и раздувают поверхность металла, заставляя ее расширяться.
Затем, когда добавляется кислород, появляется водород. из палладиевых укрытий и сливается с кислородом, образуя капли воды. Тем временем палладий возвращается в исходное невздутое состояние.
«Палладий может показаться дорогим, но его можно перерабатывать», — говорит Лю. «Наш процесс его не потребляет. Единственное, что потребляется, — это газ, а водород — самый распространенный газ во Вселенной. После реакции мы можем повторно использовать палладиевую платформу снова и снова».
Это такой простой процесс, который можно масштабировать. Все, что вам нужно, это кусок палладия побольше. При наличии стабильных поставок переработанного кислорода и водорода молекулы воды можно было бы построить с нуля на лунной среде обитания, на марсианской базе, на космической станции или, возможно, во время дальнего космического полета к звездам.
А Достаточно большой кусок палладия мог бы пополнить запасы воды на Земле, где воды мало, а в меню есть переработанные отходы. Мы полагаем, что палладиевый сок может стать долгожданным изменением.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
