Первое прямое наблюдение за образованием молекул воды в нанометрическом масштабе

Впервые исследователи непосредственно наблюдали слияние атомов водорода и кислорода с образованием нанометрических пузырьков воды. Реакцию, в которой в качестве катализатора используется палладий, можно оптимизировать, добавив сначала молекулы водорода. Поскольку она не требует экстремальных условий, то потенциально может генерировать воду в засушливых условиях, в том числе на других планетах.

С начала XX века палладий (Pd) используется в качестве катализатора для реакций гидрирования и окисления. Реакция окисления водорода с образованием воды на поверхности палладия была подробно изучена. Однако различные стадии этой реакции остаются малоизученными, в основном из-за сложных взаимодействий между атомами, которые меняются в зависимости от температуры и давления. «Это известное, но до конца не изученное явление», — объясняет Юкун Лю, автор нового исследования, в пресс-релизе Северо-Западного университета.

«Чтобы понять эту реакцию и оптимизировать ее, нам необходимо объединить прямую визуализацию процесса образования воды и анализ структуры в атомном масштабе», — добавляет он. До сих пор визуализация стадий реакции с такой точностью представляла собой серьезную техническую проблему. Лю и его коллеги подробно описали этот процесс, разработав новую технику наблюдения в наномасштабе.

Этот метод также позволяет определить оптимальные условия для получения воды в условиях окружающей среды. «Вспомните героя Мэтта Дэймона, Марка Уотни, в фильме «Марсианин». Он сжигал ракетное топливо, чтобы получить водород, а затем добавлял кислород. Наш процесс похож, но без использования огня или других экстремальных условий. Мы просто смешали палладий и газы», — объясняет Винаяк Дравид, соавтор исследования.

Самые маленькие пузырьки из когда-либо наблюдавшихся

Технология, разработанная командой Северо-Западного университета, включает в себя ультратонкую стеклянную мембрану, которая заключает газообразные молекулы внутри нанореакторов в форме сот, что позволяет наблюдать за ними в режиме реального времени с помощью высоковакуумных просвечивающих электронных микроскопов. Эти системы позволяют устранить молекулы, которые могут загрязнить процесс, и изолировать те, на которые нужно воздействовать.

С помощью этой новой техники исследователи могут изучать газообразные образцы при атмосферном давлении с разрешением 0,102 нанометра по сравнению с 0,236 нанометра у других современных инструментов. Это также позволяет одновременно анализировать спектроскопическую информацию и другие важные параметры.

Наблюдая за каталитическим эффектом палладия при создании воды, команда заметила, что атомы водорода проникают сквозь кубическую решетку металла, расширяя ее. Когда после этого был добавлен кислород, исследователи заметили, что на поверхности металлической структуры быстро (уже через 6 секунд после реакции) образовались пузырьки воды. Они считают, что это самые маленькие пузырьки воды, которые когда-либо наблюдались.

Нанометрическая версия экспериментального зонда «Чандраян-1»

Чтобы убедиться, что это действительно пузырьки воды, команда провела спектроскопию потерь энергии электронов. Этот метод предполагает воздействие на пузырьки пучком электронов, кинетическая энергия которых узко определена.

Спектры потери энергии электронов указывают на точную природу прошедшего через них материала. Эксперимент, проведенный исследователями, представляет собой нанометрическую версию того, который использовался лунным зондом «Чандраян-1» для обнаружения молекул воды на Луне. Они обнаружили, что спектры пузырьков действительно указывают на наличие кислородных связей, характерных для воды. Эти результаты были подтверждены оценкой температуры их кипения, которая в точности соответствует температуре воды.

Скорость реакции, зависящая от последовательности введения газа

Второй этап исследования заключался в оценке того, как оптимизировать процесс. Для этого исследователи добавляли кислород и водород по отдельности в разном хронологическом порядке, чтобы определить, в какой последовательности вода образуется быстрее всего. Результаты показали, что на скорость окисления водорода, катализируемого палладием, существенно влияет последовательность добавления газов. Добавление водорода первым приводило к самой быстрой реакции.

Такая эффективность обусловлена тем, что атомы водорода, будучи очень маленькими, легко проникают в решетку палладия. Когда добавляются атомы кислорода, водород «выскакивает» из палладия и вступает с ним в реакцию. После этого палладий сжимается до исходного состояния. Однако, хотя атомы кислорода энергетически благоприятны для поглощения палладием, они слишком громоздки, чтобы проникнуть в решетку. Когда кислород вводится первым, он покрывает поверхность палладия, как пленка, препятствуя поглощению водорода и запуску реакции.

Потенциальное применение в космосе

Хотя в исследовании речь шла о производстве воды в нанометрическом масштабе, при использовании более крупных листов палладия объем производства будет гораздо больше. Это может открыть путь для применения в космосе: листы палладия, наполненные водородом, можно транспортировать с Земли и добавлять кислород по прибытии на место назначения.

Более того, хотя палладий стоит дорого, его можно перерабатывать практически бесконечно. «Единственное, что расходуется в процессе, — это газ, а водород — самый распространенный газ во Вселенной. После реакции мы можем использовать палладиевую платформу снова и снова», — заключает Лю. Результаты экспериментов подробно описаны в журнале PNAS.