Ученые впервые стали свидетелями и сняли на видео слияние кислорода и водорода с образованием крошечных наноразмерных пузырьков воды.
Ранее команда ученых из Northwestern University разработала новый метод просмотра и анализа молекул газа в режиме реального времени. Метод включает в себя захват молекул газа в нанореакторах в форме сот с помощью ультратонких стекловидных мембран, которые затем можно рассмотреть с помощью высоковакуумных просвечивающих электронных микроскопов.
Используя новую технику, исследователи попытались поближе познакомиться с тем, как редкий металл палладий может быстро генерировать воду из водорода и кислорода.
«Это известный феномен, но он никогда не был полностью понят», — сказал Юкун Лю, первый автор исследования. «Потому что вам действительно нужно иметь возможность сочетать прямую визуализацию образования воды и структурный анализ в атомном масштабе, чтобы выяснить, что происходит с реакцией и как ее оптимизировать».
Используя новую технику, исследователи смогли наблюдать, как водород проникает в палладий, а затем образуется наноразмерный пузырь воды.
«Мы думаем, что это может быть самый маленький пузырь, который когда-либо формировался, который был виден напрямую», — добавил Юкун Лю. «Это не то, чего мы ожидали. К счастью, мы все записывали, чтобы доказать другим, что мы не сумасшедшие».
Помимо визуальных доказательств, команда исследователей проанализировала пузырь с помощью спектроскопии потерь энергии электронов, той же техники, которую индийский «Чандраян-1» использовал для подтверждения наличия воды на Луне, хотя и в наномасштабе.
«Непосредственно визуализируя наноразмерное производство воды, мы смогли определить оптимальные условия для быстрого производства воды в условиях окружающей среды», — добавил Винаяк Дравид, старший автор исследования. «Эти результаты имеют значительные последствия для практического применения, такого как обеспечение быстрой генерации воды в условиях глубокого космоса с использованием газов и металлических катализаторов, не требуя экстремальных условий реакции».
Ученые обнаружили, что скорость, с которой палладий производит кислород, в значительной степени зависит от последовательности, в которой водород и кислород вводятся внутрь. Помимо того, что просто потрясающе наблюдать за этим процессом в таких крошечных масштабах, исследование может привести к улучшению методов производства воды.
Одной из областей, где это действительно может помочь, могут быть космические путешествия. Если бы палладий можно было предварительно наполнить водородом, людям нужно было бы только добавить кислород для создания питьевой воды.
«Подумайте о персонаже Мэтта Дэймона, Марке Уотни, в фильме «Марсианин», — говорит Винаяк Дравид,. «Он сжигал ракетное топливо для извлечения водорода, а затем добавлял кислород из своего оксигенатора. Наш процесс аналогичен, за исключением того, что мы обходим необходимость в огне и других экстремальных условиях. Мы просто смешали палладий и газы вместе».
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.