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2024/10/04 09:58:11瀏覽57|回應0|推薦1 | |
影》奈米科學大突破 首次拍攝氫氧原子合成水的畫面H2O水分子的模型,兩個氫原子與一個氧原子結合成水,科學家利用電子顯微鏡,記錄到原子等級的水結合過程。(圖/shutterstock) 我們都知道「氫與氧結合成水」,現在科學家把這個基礎化學常識推升到新的境界:把過程拍攝下來。同時,這個實驗也發明了一種新的造水方法。 新阿特拉斯(New Atlas)報導,眾所周知,一種名為鈀(化學符號Pd)的稀有元素,是將氣態氫和氧轉化為水的良好催化劑,但是具體的工作原理仍知之甚少。因此,在這項新研究中,美國西北大學(Northwestern University)的研究人員使用了一種新開發的觀測技術,來瞭解化學反應期間的分子細節。 他們將鈀樣品放入蜂窩狀奈米反應器中,並用超薄膜玻璃包裹。然後,引入氣體。再利用「高真空透射電子顯微鏡」(High-vacuum transmission electron microscopes)進行觀察。 研究團隊看到氫原子進入鈀,擴大了鈀原本的方形晶格。但隨後加入氧氣後,鈀的表面逐步形成微小的水泡,這就是氫氧結合的過程。
實驗一開始,深色的是鈀金屬,呈現六邊形,周圍的膜是添入的氫氣。(圖/Youtube截圖)
鈀金屬的外層捕捉了氫原子,改變了鈀金屬的形狀,從六邊形變成四邊形,稱為「晶格結構改變」。(圖/Youtube截圖)
填充氧氣後,氫原子從鈀表面釋出,與氧原子結合成水,形成大的水滴。同時,鈀金屬恢復成原本的六邊形晶格。(圖/Youtube截圖) 研究人員Yukun Liu表示:「我首次看到時,簡直不敢相信自己的眼睛,這超出了我們的預期,我們認為這可能是迄今為止,直接觀察到的最小顆水滴。幸運的是,整個過程都被錄製下來,這樣我們就可以向其他人證明我們沒有瘋。」 由此產生的影片很有趣,為我們提供了一個直觀奈米級反應的影象,也證明了我們在小學自然課學到的反應,這非常有教育意義。 同時,利用鈀來生水也有實際應用價值。過進一步的實驗,研究小組找到了使用鈀生產水的最佳方法。先加入氫氣,再加入氧氣,反應速率最快。氫原子會先擠入鈀金屬的晶格中,後添加的氧氣,出現在鈀表面時,氫氣會自行出來,並與氧氣化合成水。 這是一種生產水的新方法。該研究的資深作者德拉維德 (Vinayak Dravid)說:「可還記得電影《絕地救援》(The Martian,也譯火星救援)當中,麥特戴蒙 (Matt Damon) 飾演的馬克華特尼 (Mark Watney),他受困在火星上,為了種馬鈴薯,他燃燒火箭燃料來提取氫氣,然後從他的氧合器中添加氧氣。我們的過程是類似的,只是我們這個方法不需要燃燒,也就不會遇到麥特戴蒙被炸飛的場景。」 「我們只要先將氫氣填充進鈀片裡,然後將它們裝載到太空船上,並根據需要添加氧氣,就可以產生飲用水。」 「鈀金屬可能看起來很貴,但它是可回收的,整個製水的流程不會消耗它。唯一消耗的是氣體,而氫是宇宙中最豐富的氣體。反應結束後,我們可以不斷反覆的使用鈀片。」 當然,這還有很長的路要走,現實中可能不太現實。但在不久的將來,它仍然可以在地球上找到用途。 |
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