研究人员实时见证纳米级水的形成

有史以来第一次，研究人员在分子尺度上实时目睹了氢和氧原子合并形成微小的纳米级气泡

这一事件是西北大学一项新研究的一部分，在此期间，科学家们试图了解稀有金属元素钯是如何催化气态反应生成水的。通过在纳米尺度上见证这一反应，西北大学的团队揭示了这一过程是如何发生的，甚至发现了加速这一过程的新策略。

由于这一反应不需要极端条件，研究人员表示，它可以作为一种实用的解决方案，在干旱环境中快速产生水，包括在其他行星上

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上

该研究的资深作者、西北大学的Vinayak Dravid说：“通过直接可视化纳米级产水，我们能够确定在环境条件下快速产水的最佳条件。”。“这些发现对实际应用具有重大意义，例如使用气体和金属催化剂在深空环境中快速生成水，而不需要极端的反应条件。”想想马特·达蒙在电影《火星救援》中的角色马克·沃特尼他燃烧火箭燃料提取氢气，然后从充氧器中添加氧气。我们的过程是类似的，除了我们绕过了火灾和其他极端条件的需要。我们只是将钯和气体混合在一起。“

Dravid是西北大学麦考密克工程学院的Abraham Harris材料科学与工程教授，也是西北大学原子与纳米尺度表征实验中心（NUANCE）的创始主任，该研究就是在那里进行的。他也是国际纳米技术研究所的全球倡议主任。

新技术使发现成为可能

自20世纪初以来，研究人员已经知道钯可以作为催化剂快速产生水。但这种反应究竟是如何发生的仍然是一个谜。

该研究的第一作者、博士生Yukun Liu说：“这是一个已知的现象，但从未被完全理解过。”在德拉维德的实验室里。”因为你真的需要能够将水生成的直接可视化和原子尺度的结构分析结合起来，才能弄清楚反应发生了什么，以及如何优化它。“

但是，直到九个月前，以原子精度观察这一过程是根本不可能的。2024年1月，Dravid的团队公布了一种实时分析气体分子的新方法。Dravid和他的团队开发了一种超薄玻璃膜，将气体分子容纳在蜂窝状纳米反应器内，因此可以在高真空透射电子显微镜内观察到它们。

使用之前发表在《科学进展》上的新技术，研究人员可以以一定的分辨率检查大气压气体中的样品。与使用其他最先进工具的0.236纳米分辨率相比，该技术仅为0.102纳米。该技术还首次实现了并行光谱和互反信息分析。

“使用超薄膜，《科学进展》论文的第一作者、NUANCE中心的研究助理Kunmo Koo说：“我们从样本本身获得了更多的信息。否则，厚容器中的信息会干扰分析。”。“

有史以来最小的气泡

利用这项新技术，Dravid、Liu和Koo研究了钯的反应。首先，他们看到氢原子进入钯，扩大了其方形晶格。但当他们看到钯表面形成微小的气泡时，研究人员简直不敢相信自己的眼睛。

刘说：“我们认为这可能是有史以来直接观察到的最小气泡。这不是我们所期望的。”。幸运的是，我们正在录制它，这样我们就可以向其他人证明我们没有疯。Koo补充道：“我们持怀疑态度。我们需要进一步调查，以证明它实际上是水形成的。”。“

该团队实施了一种称为电子能量损失光谱的技术来分析气泡。通过检查散射电子的能量损失，研究人员确定了水特有的氧键合特征，证实了气泡确实是水。然后，研究人员通过加热气泡来评估沸点，对这一结果进行了交叉检验。

“这是Chandrayaan-1月球车实验的纳米级模拟，该实验在月球土壤中寻找水的证据，”Koo说。“在调查月球时，它使用光谱来分析和识别大气和表面上的分子。”。我们采用了类似的光谱方法来确定产生的产物是否确实是水。“

优化配方

在确认钯反应产生水后，研究人员接下来试图优化该过程。他们在不同时间分别添加氢气和氧气，或混合在一起，以确定哪一系列事件以最快的速度产生水。

Dravid、Liu和Koo发现，先添加氢气，然后添加氧气，导致反应速率最快。因为氢原子很小，它们可以挤在钯原子之间，导致金属膨胀。在用氢气填充钯后，研究者添加了氧气。

”氧原子在能量上有利于吸附到钯表面，但它们太大而无法进入晶格。刘说：“当我们首先引入氧气时，它的离解原子覆盖了钯的整个表面，因此氢气无法吸附到表面上引发反应。”。但是当我们先在钯中储存氢气，然后加入氧气时，反应就开始了。氢气从钯中出来与氧气反应，钯收缩并恢复到初始状态。“

深空可持续系统

西北大学的研究小组设想，未来其他人可能会在进入太空之前制备充满氢的钯。然后，为了产生饮用水或浇灌植物，旅行者只需要添加氧气。尽管这项研究侧重于研究纳米级气泡的产生，但更大的钯片会产生更多的水。

“钯可能看起来很贵，但它是可回收的，”刘说。“我们的过程不会消耗它。唯一消耗的是气体，氢气是宇宙中最丰富的气体。”。反应后，我们可以反复使用钯平台。p