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，衆所周知，一種名爲鈀(化學符號Pd)的稀有元素，是將氣態氫和氧轉化爲水的良好催化劑，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，來了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，稱爲「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，我們認爲這可能是迄今爲止，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，爲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，爲了種馬鈴薯，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，整個制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。