تماشا کنید: فرآیند ترکیب هیدروژن و اکسیژن برای تشکیل آب در مقیاس نانو

اوایل امسال، گروهی از دانشگاه نورث‌وسترن ایلینویز به روشی جدیدی برای مشاهده و تحلیل مولکول‌های گاز به‌صورت آنی دست یافتند. این روش شامل به دام‌انداختن مولکول‌های گاز درون نانورآکتورهای لانه‌زنبوری با استفاده از غشاهای شیشه‌ای فوق‌باریک است و سپس می‌توان با میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری خلأ بالا، آن‌ها را مشاهده کرد.

پژوهشگرها با استفاده از روش جدید نگاهی دقیق‌تر به رازی صدساله انداختند؛ چگونه فلز کمیاب پالادیم می‌تواند با سرعت بالایی از هیدروژن و اکسیژن، آب تولید کند؟ یوکان لیو، مؤلف اول پژوهش در بیانیه‌ای گفت:

تولید آب از پالادیم پدیده‌ای شناخته‌شده محسوب می‌شود، اما هرگز به‌طور کامل درک نشد؛ زیرا باید مشاهده‌ی مستقیم تولید آب و تحلیل ساختار در مقیاس اتمی را ترکیب کنید تا بتوانید اتفاقات درون واکنش و چگونگی بهینه‌سازی آن را دریابید.

پژوهشگرها با استفاده از روش جدید توانستند ورود هیدروژن به پالادیم و شکل‌گیری حباب آب در ابعاد نانو را مشاهده کنند. لیو می‌گوید، فکر می‌کنیم این کوچک‌ترین حبابی است که به صورت مستقیم دیده شده است. این چیزی نبود که انتظار داشتیم. خوشبختانه این فرآیند را ضبط کردیم تا بتوانیم به افراد دیگر نشان دهیم دیوانه نیستیم.

پژوهشگرها علاوه بر شواهد بصری، حباب را با طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترونی بررسی کردند که همان تکنیک به کاررفته توسط کاوشگر چاندرایان ۱ هند برای تأیید وجود آب روی ماه، هرچند در مقیاس نانو بود. وینایک دریوید، مؤلف ارشد پژوهش می‌گوید:

با مشاهده‌ی مستقیم تولید آب در مقیاس نانو، توانستیم شرایط بهینه برای تولید سریع آب را تحت شرایط محیطی شناسایی کنیم. این یافته‌ها پیامدهای چشمگیری برای زمینه‌های کاربردی دارند؛ مانند امکان تولید آب سریع در محیط‌های اعماق فضا با استفاده از کاتالیزورهای فلزی و گازها بدون نیاز به شرایط واکنشی شدید.

پژوهشگر‌ها متوجه شدند که سرعت تولید اکسیژن پالادیم به‌شدت تحت تأثیر توالی ورود اکسیژن و هیدروژن قرار دارد. علاوه بر اینکه دیدن این فرآیند در چنین مقیاس کوچکی شگفت‌انگیز است، حاصل این پژوهش‌ها می‌تواند تکنیک‌های جدید تولید آب باشد. یکی از حوزه‌های کاربردی سفرهای فضایی است. اگر پالادیم با هیدروژن پر شود، فضانوردها برای تولید آب آشامیدنی تنها باید اکسیژن اضافه کنند. دریوید می‌گوید:

برای مثال شخصیت مارک واتنی با بازی مت دیمون در فیلم مریخی را درنظر بگیرید. او سوخت موشک را برای استخراج هیدروژن سوزاند و سپس اکسیژن را به اکسیژن‌رسان خود اضافه کرد. فرآیند ما نیز شبیه همین است، با این استثنا که نیاز به سوخت و دیگر شرایط شدید را حذف و خیلی ساده پالادیم و گازها را با یکدیگر ترکیب کردیم.

یافته‌های مطالعه در نشریه PNAS منتشر شده است.