Учёные впервые смогли в реальном времени наблюдать, как отдельные атомы водорода и кислорода соединяются, образуя нанопузырьки воды. Ключевым элементом процесса стал палладий, выступающий в роли катализатора. Исследователи обнаружили, что эффективность реакции можно значительно повысить, если сначала вводить молекулярный водород. Этот метод не требует экстремальных температур или давления, что открывает принципиально новые возможности для генерации воды в засушливых регионах Земли и, потенциально, в условиях других планет.
Палладий (Pd) применяется в качестве катализатора для реакций гидрирования и окисления уже более века. Хотя общая схема реакции окисления водорода с образованием воды на его поверхности хорошо известна, детальное понимание отдельных атомарных стадий долгое время оставалось недостижимым. Сложные взаимодействия между атомами, меняющиеся в зависимости от температуры и давления, делали процесс «известным, но не до конца изученным феноменом», как отметил Юкунь Лю, ведущий автор исследования из Северо-Западного университета.
«Для полного понимания и оптимизации этой реакции необходимо было совместить прямую визуализацию процесса зарождения воды со структурным анализом на атомном уровне», — подчеркнул учёный. Преодолеть этот технический барьер позволила инновационная методика наномасштабных наблюдений, разработанная командой. Соавтор работы Винаяк Дравид провёл яркую аналогию: «Вспомните Марка Уотни из «Марсианина», который получал воду, сжигая топливо. Наш процесс схож по цели, но вместо огня мы используем лишь палладий и газ, работая в мягких условиях».
Наблюдение за самыми маленькими пузырьками
В основе новой технологии лежат ультратонкие стеклянные мембраны, которые создают сотовые нанореакторы, улавливающие молекулы газа. Это позволяет в режиме реального времени наблюдать за процессами с помощью просвечивающей электронной микроскопии в условиях высокого вакуума. Такая система эффективно изолирует целевые молекулы и устраняет загрязняющие примеси.
Новый инструмент обеспечивает рекордное разрешение в 0,102 нанометра (для сравнения, у других современных методов — 0,236 нм) при атмосферном давлении газа. Это позволяет не только видеть, но и одновременно анализировать спектральные характеристики образцов. В ходе эксперимента учёные увидели, как атомы водорода внедряются в кристаллическую решётку палладия, вызывая её расширение. После добавления кислорода на поверхности металла всего за 6 секунд начали формироваться пузырьки воды, которые, по мнению исследователей, являются самыми маленькими из когда-либо наблюдавшихся.
Зарождение, рост и образование везикул на поверхности нанокубов палладия. Вид с просвечивающего электронного микроскопа. Масштабная полоса соответствует 10 нм.
Обратите внимание: Ученые впервые обнаружили всеядных акул.
Наномасштабный аналог лунного эксперимента
Чтобы убедиться, что наблюдаемые пузырьки действительно состоят из воды, команда применила метод спектроскопии потерь энергии электронов. Принцип схож с экспериментом индийского лунного зонда «Чандраян-1», который искал воду на Луне, но реализован в наномасштабе. Через пузырьки пропускали электронный луч с определённой энергией, а анализ спектра потерь энергии позволил идентифицировать материал. Спектры чётко указали на наличие кислородных связей, характерных именно для воды. Дополнительным подтверждением стало совпадение температуры кипения пузырьков с температурой кипения воды.
(A) Схема просвечивающей электронной микроскопии для производства нанопузырьков H2O посредством реакции окисления водорода, катализируемой палладием (Pd). Красная молекула – это O2, желтая – H2. (B) Изображение кубических наночастиц Pd при малом увеличении со вставленной электронограммой. (C) Изображение типичной наночастицы палладия. На поверхности наночастиц не наблюдалось оксидного слоя. (D) Изображение пузырьков H2O, образовавшихся на поверхности наночастиц Pd после непрерывного прохождения H2 и O2.
Секрет эффективности — в порядке подачи газов
Важной частью исследования стал поиск способов оптимизации процесса. Учёные варьировали последовательность введения водорода и кислорода и обнаружили, что она кардинально влияет на скорость реакции. Наиболее эффективным оказался сценарий, когда первым в реактор подаётся водород. Это объясняется размерами атомов: крошечные атомы водорода легко проникают в кристаллическую решётку палладия. При последующем добавлении кислорода водород «выталкивается» и мгновенно вступает с ним в реакцию, после чего решётка палладия возвращается в исходное состояние. Если же первым подать кислород, он образует на поверхности палладия тонкую плёнку, которая блокирует проникновение водорода и drastically замедляет весь процесс.
Перспективы для космических миссий
Хотя эксперимент проводился в наномасштабе, принцип можно масштабировать, используя более крупные пластины палладия для производства значительных объёмов воды. Это открывает фантастические перспективы для космических исследований. Например, можно было бы транспортировать с Земли листы палладия, предварительно насыщенные водородом, а по прибытии на Луну или Марс добавлять к ним местный или доставленный кислород для синтеза воды.
Несмотря на высокую стоимость палладия, его ключевое преимущество — практически неограниченная возможность рециклинга. «В этом процессе расходуется только газ, а водород — самый распространённый элемент во Вселенной. Палладиевую платформу можно использовать снова и снова после завершения реакции», — пояснили исследователи. Подробные результаты этого прорывного исследования опубликованы в авторитетном журнале Труды Национальной академии наук.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Впервые исследователи непосредственно наблюдали слияние атомов водорода и кислорода с образованием нанометрических пузырьков воды.