觀看有史以來最小的水滴逐個分子生長

我們都知道水的成分。你取兩個氫原子和一個氧原子，將它們放在一起就這樣和瞧– 你有一個分子，里面是地球上生命最重要的化合物。

現在，科學家們第一次近距離觀察了這一過程。西北大學的材料科學家 Vinayak Dravid 和他的同事在分子尺度上實時觀察了有史以來最小的水泡似乎憑空綻放。

他們是怎么做到的呢？通過利用鈀的奇特力量，鈀是一種已知可以催化這兩種元素的金屬合成水.

“想想馬特·達蒙 （Matt Damon） 在電影中飾演的角色馬克·沃特尼 （Mark Watney）火星救援,"Dravid 說.“他燃燒火箭燃料來提取氫氣，然后從他的氧合器中加入氧氣。我們的流程與此類似，只是我們繞過了對火災和其他極端條件的需求。我們只是將鈀和氣體混合在一起。

我們已經知道鈀具有在相對較短的時間內合成大量水的奇怪能力。但它究竟是如何運作的一直很難確定。這是因為很難在它發生的尺度上觀察這個過程。

“你真的需要能夠將水生成的直接可視化和原子尺度的結構分析結合起來，以弄清楚發生了什么。”材料科學家 Yukun Liu 解釋道西北大學。

為了克服這一重大障礙，該團隊開發了一種膜，可將分子捕獲在微小的六邊形納米反應器細胞內。這使得使用透射電子顯微鏡對分子過程進行成像變得更加容易。低至納米級.

即便如此，研究人員仍不確定他們直接觀察鈀反應的嘗試是否會成功。他們將氫原子和氧原子添加到一塊 20 納米寬的鈀的表面，并使用它們的膜來捕獲隨后的相互作用。

單個水分子的直徑不到三分之一納米，而它們組成的原子要小得多。為了“看到”這些微小化合物的鍵合，研究人員使用了電子顯微鏡的一種形式它記錄了散射電子損失的能量。

令他們驚訝的是，他們能夠實時觀察到原子結合在鈀表面形成一個小水泡。

“我們認為這可能是有史以來形成的最小的直接觀察氣泡，”Liu 說.“這不是我們所期望的。幸運的是，我們正在錄制它，這樣我們就可以向其他人證明我們沒有瘋。

接下來，他們嘗試簡化流程，分別添加氫氣和氧氣。他們能夠確定該過程分兩個步驟進行。首先，氫原子擠入鈀的表面，將自身插入原子晶格中，使金屬表面膨脹，使其膨脹。

然后，當加入氧氣時，氫從其鈀藏身孔中出來，并與氧氣融合，形成水滴。與此同時，鈀金放松到原來的不浮腫狀態。

“鈀金可能看起來很貴，但它是可回收的，”Liu 說.“我們的流程不會消耗它。唯一消耗的是氣體，而氫氣是宇宙中最豐富的氣體。反應后，我們可以一遍又一遍地重復使用鈀平臺。

這是一個非常簡單的過程，而且可以擴展。你所需要的只是一塊更大的鈀金。如果循環氧氣和氫氣的穩定供應，水分子可以在月球棲息地從頭開始建造，即火星基地、空間站，或者可能是前往星星的長途太空飛行。

一塊足夠大的鈀可以補充地球上水資源稀缺的供應，并且回收的 WEE在菜單上。我們認為鈀汁可能是一個受歡迎的變化。

該研究已發表在美國國家科學院院刊.

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