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科技创新

纳米科学大突破 首次拍摄氢氧原子合成水的画面

来源:中国时报2024-10-04 19:0594

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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)的希有元素,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。

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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)

他们将钯样品放入蜂窝状纳米反应器中,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。

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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)

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。」

由此产生的视频很有趣,为我们提供了一个直观纳米级反应的影象,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。

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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)

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,我们可以不断反复的使用钯片。」

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。

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