研究人员实时见证纳米级水的形成

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研究人员首次在实时分子尺度上目睹了氢原子和氧原子合并形成微小的纳米级水泡。
此次事件是西北大学一项新研究的一部分，科学家们试图了解稀有金属元素钯如何催化气态反应生成水。通过在纳米尺度上观察这一反应，西北大学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。
由于该反应不需要极端条件，研究人员表示它可以作为在包括其他星球在内的干旱环境中快速生成水的实用解决方案。
该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
“通过直接观察纳米级水的生成，我们能够确定在环境条件下快速生成水的最佳条件，”西北大学的 Vinayak Dravid 说道，他是这项研究的资深作者。“这些发现对实际应用具有重要意义，例如，无需极端反应条件，即可利用气体和金属催化剂在深空环境中快速生成水。”
“想想马特·达蒙在电影《火星救援》中扮演的角色马克·沃特尼。他燃烧火箭燃料提取氢气，然后从氧合器中添加氧气。我们的过程类似，只是我们绕过了对火和其他极端条件的需求。我们只是将钯和气体混合在一起。”
德拉维德是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程系亚伯拉罕·哈里斯教授，也是西北大学原子和纳米尺度表征实验 (NUANCE) 中心的创始主任，这项研究就是在该中心进行的。他还是国际纳米技术研究所全球计划的主任。
新技术助力发现
自 20 世纪初以来，研究人员就知道钯可以作为催化剂快速生成水。但这一反应的具体发生过程仍是一个谜。
“这是一个已知现象，但从未被完全理解，”这项研究的第一作者、德拉维德实验室的博士生刘玉昆说。“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。”
但以原子级精度观察这一过程几乎是不可能的——直到九个月前。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，可将气体分子容纳在蜂窝状纳米反应器中，因此可以在高真空透射电子显微镜中观察它们。
这项新技术此前已发表在《科学进展》上，研究人员可以以 0.102 纳米的分辨率检查大气压气体中的样本，而使用其他先进工具的分辨率为 0.236 纳米。该技术还首次实现了同时进行光谱和互易信息分析。
“使用超薄膜，我们可以从样本本身获取更多信息，”《科学进展》论文的第一作者、NUANCE 中心的研究员 Kunmo Koo 说道，他的导师是副教授 Xiaobing Hu。“否则，厚容器中的信息会干扰分析。”
迄今为止见过的最小的气泡
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，扩大了其方晶格。但当他们看到钯表面形成微小的水泡时，研究人员简直不敢相信自己的眼睛。
“我们认为这可能是迄今为止直接观测到的最小气泡，”刘说。“这不是我们所期待的。幸运的是，我们记录了下来，这样我们就可以向其他人证明我们并没有疯。”
“我们对此表示怀疑，”Koo 补充道。“我们需要进一步调查，以证明它确实是水。”
研究团队采用了一种名为电子能量损失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性，从而证实气泡确实是水。然后，研究人员通过加热气泡来评估沸点，以此来交叉检查这一结果。
“这是月船一号月球车实验的纳米级模拟，该实验旨在寻找月球土壤中存在水的证据，”Koo 说道。“在勘测月球时，它使用光谱分析和识别大气和表面的分子。我们采用类似的光谱方法来确定生成的产物是否确实是水。”
优化秘诀
在确认钯反应生成水后，研究人员接下来寻求优化该过程。他们在不同时间分别添加氢和氧，或将氢和氧混合在一起，以确定哪种事件顺序生成水的速度最快。
Dravid、Liu 和 Koo 发现，先加入氢，然后再加入氧，反应速度最快。由于氢原子非常小，它们可以挤进钯原子之间，从而导致金属膨胀。在用氢填充钯后，研究人员加入了氧气。
“从能量上讲，氧原子有利于吸附在钯表面，但它们太大而无法进入晶格，”刘说。“当我们先流入氧气时，其解离原子覆盖了钯的整个表面，因此氢气无法吸附到表面以引发反应。但是，当我们先将氢气储存在钯中，然后添加氧气时，反应就开始了。氢气从钯中出来与氧气发生反应，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，未来其他人可以在进入太空之前准备好充满氢的钯。然后，为了产生饮用水或浇灌植物的水，旅行者只需添加氧气即可。尽管这项研究的重点是研究纳米级气泡的产生，但更大的钯片将产生大量的水。
“钯金看似昂贵，但其实是可回收的，”刘说，“我们的工艺不消耗钯金。唯一消耗的是气体，而氢气是宇宙中最丰富的气体。反应后，我们可以反复使用钯金平台。”