علمی، پژوهشی و فناوری

تشکیل آب در مقیاس نانو از اتم های هیدروژن و اکسیژن

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : برای اولین بار، محققان در زمان واقعی و در مقیاس مولکولی شاهد ادغام اتم‌های هیدروژن و اکسیژن برای تشکیل حباب‌های کوچک و نانویی از آب بودند.

این رویداد به عنوان بخشی از یک مطالعه جدید شمال غربی رخ داد که طی آن دانشمندان به دنبال درک چگونگی واکنش پالادیوم، یک عنصر فلزی کمیاب، واکنش گازی برای تولید آب بودند. تیم با مشاهده واکنش در مقیاس نانو، چگونگی وقوع این فرآیند را کشف کرد و حتی استراتژی‌های جدیدی را برای تسریع آن کشف کرد.

از آنجایی که این واکنش به شرایط شدید نیاز ندارد، محققان می گویند که می توان از آن به عنوان یک راه حل عملی برای تولید سریع آب در محیط های خشک، از جمله در سیارات دیگر استفاده کرد.

وینایاک دروید، نویسنده ارشد این مطالعه گفت: «به شخصیت مت دیمون، مارک واتنی، در فیلم «مریخی» فکر کنید. او سوخت موشک را برای استخراج هیدروژن سوزاند و سپس اکسیژن را از اکسیژن ساز خود اضافه کرد. روند ما مشابه است، با این تفاوت که نیاز به آتش و سایر شرایط شدید را دور می زنیم. ما به سادگی پالادیوم و گازها را با هم مخلوط کردیم.

دراوید استاد آبراهام هریس در علم و مهندسی مواد در دانشکده مهندسی McCormick Northwestern و مدیر مؤسس مرکز آزمایشی مشخصه اتمی و نانومقیاس دانشگاه نورث وسترن (NUANCE) است که این مطالعه در آنجا انجام شد. او همچنین مدیر ابتکارات جهانی در موسسه بین المللی نانوتکنولوژی است.

فناوری جدید جایگزین می شود

از اوایل دهه 1900، محققان می دانستند که پالادیوم می تواند به عنوان یک کاتالیزور برای تولید سریع آب عمل کند. اما اینکه دقیقاً چگونه این واکنش رخ می دهد یک راز باقی مانده است.

یوکون لیو، نویسنده اول و دکترای این مطالعه گفت: «این یک پدیده شناخته شده است، اما هرگز به طور کامل درک نشد. نامزد در آزمایشگاه دراوید. "زیرا شما واقعا باید بتوانید تجسم مستقیم تولید آب و تجزیه و تحلیل ساختار را در مقیاس اتمی ترکیب کنید تا بفهمید چه اتفاقی دارد می افتد."

اما مشاهده این فرآیند با دقت اتمی به سادگی غیرممکن بود - تا نه ماه پیش. در ژانویه 2024، تیم Dravid از روش جدیدی که قبلاً در Science Advances منتشر شده بود، برای تجزیه و تحلیل مولکول های گاز در زمان واقعی پرده برداری کرد. دراوید و تیمش یک غشای شیشه ای بسیار نازک ساختند که مولکول های گاز را در نانوراکتورهای لانه زنبوری شکل نگه می دارد، بنابراین می توان آنها را در میکروسکوپ های الکترونی عبوری با خلاء بالا مشاهده کرد.

Kunmo Koo، نویسنده اول مقاله Science Advances و یکی از همکاران پژوهشی در مرکز NUANCE، جایی که استادیار پژوهشی Xiaobing Hu او را راهنمایی می کند، گفت: «با استفاده از غشای فوق نازک، ما اطلاعات بیشتری از خود نمونه دریافت می کنیم.

کوچکترین حباب دیده شده

دراوید، لیو و کو با استفاده از فناوری جدید واکنش پالادیوم را بررسی کردند. ابتدا دیدند که اتم های هیدروژن وارد پالادیوم شده و شبکه مربعی آن را گسترش می دهند. اما هنگامی که آنها حباب های کوچک آب را در سطح پالادیوم دیدند، محققان چشمانشان را باور نکردند.

لیو می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم که ممکن است کوچک‌ترین حباب باشد که تا به حال به طور مستقیم مشاهده شده است. "این چیزی نیست که ما انتظارش را داشتیم. خوشبختانه، ما آن را ضبط می‌کردیم، بنابراین می‌توانستیم به دیگران ثابت کنیم که دیوانه نیستیم.»

دستور العمل بهینه سازی

پس از تأیید واکنش پالادیوم تولید آب، محققان در مرحله بعدی به دنبال بهینه‌سازی این فرآیند بودند و دریافتند که ابتدا هیدروژن و سپس اکسیژن به سریع‌ترین سرعت واکنش منجر می‌شود. از آنجایی که اتم های هیدروژن بسیار کوچک هستند، می توانند بین اتم های پالادیوم فشرده شوند و باعث انبساط فلز شوند.

پس از پر کردن پالادیوم با هیدروژن، محققان گاز اکسیژن را اضافه کردند. هیدروژن از پالادیوم خارج شد تا با اکسیژن واکنش دهد و پالادیوم به حالت اولیه خود منقبض شد.

سیستم پایدار برای فضای عمیق

اگرچه این مطالعه که در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شد، بر مطالعه تولید حباب در مقیاس نانو متمرکز بود، ورقه های بزرگتر پالادیوم مقادیر بسیار بیشتری آب تولید می کرد. این تیم تصور می کند که دیگران، در آینده، به طور بالقوه می توانند قبل از سفر به فضا، پالادیوم پر از هیدروژن را آماده کنند. سپس، برای تولید آب برای آشامیدن یا آبیاری گیاهان، مسافران فقط باید اکسیژن اضافه کنند.

لیو گفت: «ممکن است پالادیوم گران به نظر برسد، اما قابل بازیافت است. «فرآیند ما آن را مصرف نمی کند. تنها چیزی که مصرف می شود گاز است و هیدروژن فراوان ترین گاز در جهان است. پس از واکنش، می‌توانیم بارها و بارها از پلت فرم پالادیوم استفاده مجدد کنیم.»