纳米科学大突破 首次拍摄氢氧原子合成水的画面(组图)

H2O水分子的模型，两个氢原子与一个氧原子结合成水，科学家利用电子显微镜，记录到原子等级的水结合过程。 (图/shutterstock) 我们都知道「氢与氧结合成水」，现在科学家把这个基础化学常识推升到新的境界：把过程拍摄下来。同时，这个实验也发明了一种新的造水方法。 新阿特拉斯(New Atlas)报导，众所周知，一种名为钯(化学符号Pd)的稀有元素，是将气态氢和氧转化为水的良好催化剂，但是具体的工作原理仍知之甚少。因此，在这项新研究中，美国西北大学(Northwestern University)的研究人员使用了一种新开发的观测技术，来了解化学反应期间的分子细节。 他们将钯样品放入蜂窝状奈米反应器中，并用超薄膜玻璃包裹。然后，引入气体。再利用「高真空透射电子显微镜」(High-vacuum transmission electron microscopes)进行观察。 研究团队看到氢原子进入钯，扩大了钯原本的方形晶格。但随后加入氧气后，钯的表面逐步形成微小的水泡，这就是氢氧结合的过程。


实验一开始，深色的是钯金属，呈现六边形，周围的膜是添入的氢气。 (图/Youtube截图)


钯金属的外层捕捉了氢原子，改变了钯金属的形状，从六边形变成四边形，称为「晶格结构改变」。 (图/Youtube截图)


填充氧气后，氢原子从钯表面释出，与氧原子结合成水，形成大的水滴。同时，钯金属恢复成原本的六边形晶格。 (图/Youtube截图)


研究人员Yukun Liu表示：「我首次看到时，简直不敢相信自己的眼睛，这超出了我们的预期，我们认为这可能是迄今为止，直接观察到的最小颗水滴。幸运的是，整个过程都被录制下来，这样我们就可以向其他人证明我们没有疯。」 由此产生的影片很有趣，为我们提供了一个直观奈米级反应的影象，也证明了我们在小学自然课学到的反应，这非常有教育意义。 同时，利用钯来生水也有实际应用价值。过进一步的实验，研究小组找到了使用钯生产水的最佳方法。先加入氢气，再加入氧气，反应速率最快。氢原子会先挤入钯金属的晶格中，后添加的氧气，出现在钯表面时，氢气会自行出来，并与氧气化合成水。 这是一种生产水的新方法。该研究的资深作者德拉维德(Vinayak Dravid)说：「可还记得电影《绝地救援》(The Martian，也译火星救援)当中，麦特戴蒙(Matt Damon) 饰演的马克华特尼( Mark Watney)，他受困在火星上，为了种马铃薯，他燃烧火箭燃料来提取氢气，然后从他的氧合器中添加氧气。我们的过程是类似的，只是我们这个方法不需要燃烧，也就不会遇到麦特戴蒙被炸飞的场景。」 「我们只要先将氢气填充进钯片里，然后将它们装载到太空船上，并根据需要添加氧气，就可以产生饮用水。」 「钯金属可能看起来很贵，但它是可回收的，整个制水的流程不会消耗它。唯一消耗的是气体，而氢是宇宙中最丰富的气体。反应结束后，我们可以不断反覆的使用钯片。」 当然，这还有很长的路要走，现实中可能不太现实。但在不久的将来，它仍然可以在地球上找到用途。