觀(guān)看有史以來(lái)最小的水滴逐個(gè)分子生長(zhǎng)

我們都知道水的成分。你取兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子，將它們放在一起就這樣和瞧– 你有一個(gè)分子，里面是地球上生命最重要的化合物。

現(xiàn)在，科學(xué)家們第一次近距離觀(guān)察了這一過(guò)程。西北大學(xué)的材料科學(xué)家 Vinayak Dravid 和他的同事在分子尺度上實(shí)時(shí)觀(guān)察了有史以來(lái)最小的水泡似乎憑空綻放。

他們是怎么做到的呢？通過(guò)利用鈀的奇特力量，鈀是一種已知可以催化這兩種元素的金屬合成水.

“想想馬特·達(dá)蒙 （Matt Damon） 在電影中飾演的角色馬克·沃特尼 （Mark Watney）火星救援,"Dravid 說(shuō).“他燃燒火箭燃料來(lái)提取氫氣，然后從他的氧合器中加入氧氣。我們的流程與此類(lèi)似，只是我們繞過(guò)了對(duì)火災(zāi)和其他極端條件的需求。我們只是將鈀和氣體混合在一起。

我們已經(jīng)知道鈀具有在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)合成大量水的奇怪能力。但它究竟是如何運(yùn)作的一直很難確定。這是因?yàn)楹茈y在它發(fā)生的尺度上觀(guān)察這個(gè)過(guò)程。

“你真的需要能夠?qū)⑺傻闹苯涌梢暬驮映叨鹊慕Y(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)，以弄清楚發(fā)生了什么?！?a>材料科學(xué)家 Yukun Liu 解釋道西北大學(xué)。

為了克服這一重大障礙，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種膜，可將分子捕獲在微小的六邊形納米反應(yīng)器細(xì)胞內(nèi)。這使得使用透射電子顯微鏡對(duì)分子過(guò)程進(jìn)行成像變得更加容易。低至納米級(jí).

即便如此，研究人員仍不確定他們直接觀(guān)察鈀反應(yīng)的嘗試是否會(huì)成功。他們將氫原子和氧原子添加到一塊 20 納米寬的鈀的表面，并使用它們的膜來(lái)捕獲隨后的相互作用。

單個(gè)水分子的直徑不到三分之一納米，而它們組成的原子要小得多。為了“看到”這些微小化合物的鍵合，研究人員使用了電子顯微鏡的一種形式它記錄了散射電子損失的能量。

令他們驚訝的是，他們能夠?qū)崟r(shí)觀(guān)察到原子結(jié)合在鈀表面形成一個(gè)小水泡。

“我們認(rèn)為這可能是有史以來(lái)形成的最小的直接觀(guān)察氣泡，”Liu 說(shuō).“這不是我們所期望的。幸運(yùn)的是，我們正在錄制它，這樣我們就可以向其他人證明我們沒(méi)有瘋。

接下來(lái)，他們嘗試簡(jiǎn)化流程，分別添加氫氣和氧氣。他們能夠確定該過(guò)程分兩個(gè)步驟進(jìn)行。首先，氫原子擠入鈀的表面，將自身插入原子晶格中，使金屬表面膨脹，使其膨脹。

然后，當(dāng)加入氧氣時(shí)，氫從其鈀藏身孔中出來(lái)，并與氧氣融合，形成水滴。與此同時(shí)，鈀金放松到原來(lái)的不浮腫狀態(tài)。

“鈀金可能看起來(lái)很貴，但它是可回收的，”Liu 說(shuō).“我們的流程不會(huì)消耗它。唯一消耗的是氣體，而氫氣是宇宙中最豐富的氣體。反應(yīng)后，我們可以一遍又一遍地重復(fù)使用鈀平臺(tái)。

這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的過(guò)程，而且可以擴(kuò)展。你所需要的只是一塊更大的鈀金。如果循環(huán)氧氣和氫氣的穩(wěn)定供應(yīng)，水分子可以在月球棲息地從頭開(kāi)始建造，即火星基地、空間站，或者可能是前往星星的長(zhǎng)途太空飛行。

一塊足夠大的鈀可以補(bǔ)充地球上水資源稀缺的供應(yīng)，并且回收的 WEE在菜單上。我們認(rèn)為鈀汁可能是一個(gè)受歡迎的變化。

該研究已發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊.

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