观看有史以来最小的水滴逐个分子生长

我们都知道水的成分。你取两个氢原子和一个氧原子，将它们放在一起就这样和瞧– 你有一个分子，里面是地球上生命最重要的化合物。

现在，科学家们第一次近距离观察了这一过程。西北大学的材料科学家 Vinayak Dravid 和他的同事在分子尺度上实时观察了有史以来最小的水泡似乎凭空绽放。

他们是怎么做到的呢？通过利用钯的奇特力量，钯是一种已知可以催化这两种元素的金属合成水.

“想想马特·达蒙 （Matt Damon） 在电影中饰演的角色马克·沃特尼 （Mark Watney）火星救援,"Dravid 说.“他燃烧火箭燃料来提取氢气，然后从他的氧合器中加入氧气。我们的流程与此类似，只是我们绕过了对火灾和其他极端条件的需求。我们只是将钯和气体混合在一起。

我们已经知道钯具有在相对较短的时间内合成大量水的奇怪能力。但它究竟是如何运作的一直很难确定。这是因为很难在它发生的尺度上观察这个过程。

“你真的需要能够将水生成的直接可视化和原子尺度的结构分析结合起来，以弄清楚发生了什么。”材料科学家 Yukun Liu 解释道西北大学。

为了克服这一重大障碍，该团队开发了一种膜，可将分子捕获在微小的六边形纳米反应器细胞内。这使得使用透射电子显微镜对分子过程进行成像变得更加容易。低至纳米级.

即便如此，研究人员仍不确定他们直接观察钯反应的尝试是否会成功。他们将氢原子和氧原子添加到一块 20 纳米宽的钯的表面，并使用它们的膜来捕获随后的相互作用。

单个水分子的直径不到三分之一纳米，而它们组成的原子要小得多。为了“看到”这些微小化合物的键合，研究人员使用了电子显微镜的一种形式它记录了散射电子损失的能量。

令他们惊讶的是，他们能够实时观察到原子结合在钯表面形成一个小水泡。

“我们认为这可能是有史以来形成的最小的直接观察气泡，”Liu 说.“这不是我们所期望的。幸运的是，我们正在录制它，这样我们就可以向其他人证明我们没有疯。

接下来，他们尝试简化流程，分别添加氢气和氧气。他们能够确定该过程分两个步骤进行。首先，氢原子挤入钯的表面，将自身插入原子晶格中，使金属表面膨胀，使其膨胀。

然后，当加入氧气时，氢从其钯藏身孔中出来，并与氧气融合，形成水滴。与此同时，钯金放松到原来的不浮肿状态。

“钯金可能看起来很贵，但它是可回收的，”Liu 说.“我们的流程不会消耗它。唯一消耗的是气体，而氢气是宇宙中最丰富的气体。反应后，我们可以一遍又一遍地重复使用钯平台。

这是一个非常简单的过程，而且可以扩展。你所需要的只是一块更大的钯金。如果循环氧气和氢气的稳定供应，水分子可以在月球栖息地从头开始建造，即火星基地、空间站，或者可能是前往星星的长途太空飞行。

一块足够大的钯可以补充地球上水资源稀缺的供应，并且回收的 WEE在菜单上。我们认为钯汁可能是一个受欢迎的变化。

该研究已发表在美国国家科学院院刊.

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