Badacze z północno-zachodniej części odkryli a nanoskala metoda wytwarzania wody przy użyciu palladu, otwierająca możliwości podróży kosmicznych i rozwiązań dla suchego klimatu.
Po raz pierwszy naukowcy zaobserwowali – w czasie rzeczywistym i w skali molekularnej – że atomy wodoru i tlenu łączą się, tworząc maleńkie pęcherzyki wody o wielkości nanometrów.
Do zdarzenia doszło w trakcie Uniwersytet Północno-Zachodninowe badanie opublikowane w czasopiśmie „ Postępowanie Narodowej Akademii Naukpodczas 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.
Praktyczne zastosowania w eksploracji kosmosu
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.
„Dzięki bezpośredniej wizualizacji wytwarzania wody w nanoskali byliśmy w stanie zidentyfikować optymalne warunki do szybkiego wytwarzania wody w warunkach otoczenia” – powiedział Vinayak Dravid z Northwestern, starszy autor badania. „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 graną przez Matta Damona, Marka Watneya, w filmie „Marsjanin”. Spalił paliwo rakietowe, aby wydobyć wodór, a następnie dodał tlen ze swojego oksygenatora. Nasz proces jest analogiczny, z tą różnicą, że pomijamy potrzebę użycia ognia i innych ekstremalnych warunków. Po prostu zmieszaliśmy pallad i gazy.”
Dravid jest profesorem nauk o materiałach i inżynierii Abrahama Harrisa w Northwestern’s Szkoła Inżynierska McCormick i dyrektor-założyciel Eksperymentalna charakterystyka atomowa i nanoskali Uniwersytetu Northwestern (NUANCE) Centrumgdzie przeprowadzono badanie. Jest także dyrektorem ds. inicjatyw globalnych w Międzynarodowy Instytut Nanotechnologii.
Nowatorskie techniki napędzają odkrycia
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”.
Obserwuj, jak bąbelki wody pojawiają się i rosną na powierzchni nanokostki palladu. Pasek skali wynosi 20 nanometrów. Źródło: Vinayak Dravid/Northwestern University
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.
Z nową techniką, wcześniej opublikowany w Postęp naukibadacze 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 na NUANCE Center, gdzie jego mentorem jest profesor nadzwyczajny Xiaobing Hu. „W przeciwnym razie informacje z grubego pojemnika zakłócają analizę”.
Najmniejsza bańka, jaką kiedykolwiek zaobserwowano
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. „To nie jest to, czego się spodziewaliśmy. Na szczęście nagrywaliśmy to, 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 wykorzystano spektroskopię do analizy i identyfikacji cząsteczek w atmosferze i na powierzchni. Zastosowaliśmy podobne podejście spektroskopowe, aby ustalić, czy powstały produkt rzeczywiście był wodą”.
Optymalizacja syntezy wody
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 jako pierwsi wpuściliśmy 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 głębokiej przestrzeni kosmicznej
Zespół Northwestern wyobraża sobie, że w przyszłości inni potencjalnie mogliby przygotować pallad wypełniony wodorem przed podróżą w kosmos. Następnie, aby wytworzyć wodę do picia lub do podlewania roślin, podróżni będą musieli jedynie dodać tlen. Chociaż badanie skupiało się na badaniu wytwarzania pęcherzyków w nanoskali, większe arkusze palladu generowałyby znacznie większe ilości wody.
„Palad może wydawać się drogi, ale nadaje się do recyklingu” – powiedział Liu. „Nasz proces go nie zużywa. Jedyne, co się zużywa, to gaz, a wodór jest gazem występującym w największej ilości we wszechświecie. Po reakcji możemy wielokrotnie wykorzystywać platformę palladową.”
Odniesienie: „Rozwikłanie reakcji utleniania wodoru ograniczonej adsorpcją na powierzchni palladu za pomocą mikroskopii elektronowej in situ” autorstwa Yukun Liu, Kunmo Koo, Zugang Mao, Xianbiao Fu, Xiaobing Hu i Vinayak P. Dravid, 27 września 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2408277121
Badanie zostało wsparte przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (numer grantu AFOSR FA9550-22-1-0300), a prace związane z wodorem – przez Centrum Wodoru w Energii i Naukach Informacyjnych, Energy Frontier Research Center finansowane przez Departament USA Energii, Biuro Nauki (numer grantu DE-SC0023450).
