1
آیا تا به حال فکر کرده‌اید که برای تولید آب چه چیزی لازم است؟ دانشمندان سال‌هاست که در تلاش‌اند تا این راز را کشف کنند. اما اکنون به نظر می‌رسد که ما واقعاً به کشف مهمی نزدیک شده‌ایم.
برای اولین بار، دانشمندان تولد آب را مستقیماً از اجزای اتمی آن – هیدروژن و اکسیژن – مشاهده کرده‌اند که با هم ترکیب شده و حباب‌های کوچک آب را شکل می‌دهند.
همه این‌ها در آزمایشگاهی در دانشگاه نورث‌وسترن رخ داده است، جایی که گروهی از دانشمندان تلاش می‌کردند تا راز اینکه چگونه عنصر فلزی پالادیوم به گازها کمک می‌کند تا واکنش داده و آب تولید کنند را کشف کنند.
قسمت هیجان‌انگیز؟ آن‌ها همه این‌ها را در مقیاس نانو مشاهده کردند.
شرایط بهینه برای تولید آب
آنچه حتی شگفت‌انگیزتر است، این است که این واکنش به شرایط سخت نیاز ندارد و این می‌تواند ابزاری مفید برای تولید سریع آب در مناطق خشک و حتی سیارات دیگر باشد.
این مطالعه قرار است در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شود. بنابراین، چرا همه اینقدر هیجان‌زده‌اند؟
دکتر وینایک دراوید، نویسنده ارشد این مطالعه، استاد در دانشکده مهندسی مک‌کورمیک دانشگاه نورث‌وسترن و مدیر بنیان‌گذار مرکز NUANCE است.
وی توضیح داد: «با مشاهده مستقیم تولید آب در مقیاس نانو، توانستیم شرایط بهینه برای تولید سریع آب در شرایط محیطی را شناسایی کنیم.»
کاربردهای تولید سریع آب
به گفته دکتر دراوید، این یافته‌ها تأثیرات عملی قابل‌توجهی دارند، زیرا امکان تولید سریع آب در محیط‌های عمیق فضایی با استفاده از گازها و کاتالیزورهای فلزی را بدون نیاز به شرایط واکنش شدید فراهم می‌کنند.
دراوید افزود: «به شخصیت “مارک واتنی” در فیلم “مریخی” فکر کنید. او برای استخراج هیدروژن، سوخت موشک را سوزاند و سپس اکسیژن را از اکسیژن‌ساز خود اضافه کرد.»
وی ادامه داد: «فرآیند ما مشابه است، اما ما از نیاز به آتش و دیگر شرایط شدید چشم‌پوشی کردیم. ما فقط پالادیوم و گازها را با هم مخلوط کردیم.»
راز نهفته در پالادیوم
در اوایل دهه ۱۹۰۰، دانشمندان می‌دانستند که پالادیوم می‌تواند به سرعت آب تولید کند. اما فرآیند دقیق آن ناشناخته مانده بود. نویسنده اول این مطالعه، یوکون لیو، کاندیدای دکترای آزمایشگاه دکتر دراوید، توضیح داد: «این یک پدیده شناخته شده بود، اما هرگز به‌طور کامل درک نشد.»
وی افزود: «زیرا واقعاً نیاز دارید تا بتوانید تولید آب را به‌طور مستقیم مشاهده کرده و تجزیه و تحلیل ساختار را در مقیاس اتمی انجام دهید تا متوجه شوید که چه اتفاقی در حال رخ دادن است و چگونه می‌توان آن را بهینه کرد.»
و این تا نه ماه پیش امکان‌پذیر نبود، زمانی که تیم دکتر دراوید روشی برای تحلیل مولکول‌های گاز در زمان واقعی معرفی کرد. آن‌ها در واقع یک غشای شیشه‌ای بسیار نازک با طراحی شش‌ضلعی ایجاد کردند تا مولکول‌های گاز را نگه دارد و بتوانند آن‌ها را در میکروسکوپ‌های الکترونی با خلأ بالا مشاهده کنند.
نتیجه خارق‌العاده بود. محققان اکنون می‌توانستند نمونه‌ها را در فشار گاز اتمسفری با وضوح فقط 0.102 نانومتر مشاهده کنند – یک جهش قابل توجه نسبت به وضوح 0.236 نانومتری که ابزارهای پیشرفته دیگر ارائه می‌دهند.
پیشرفت: کوچک‌ترین حباب!
با استفاده از تکنیک جدید خود، تیم واکنش روی پالادیوم را مشاهده کرد. هنگامی که اتم‌های هیدروژن وارد پالادیوم شدند و شبکه مربعی آن را گسترش دادند، آن‌ها دیدند که حباب‌های کوچک آب در سطح فلز شکل می‌گیرند.
لیو گفت: «ما فکر می‌کنیم این کوچک‌ترین حبابی است که تا به حال مشاهده شده است. این چیزی نبود که انتظارش را داشتیم. خوشبختانه، ما در حال ضبط بودیم، بنابراین می‌توانستیم به دیگران ثابت کنیم که دیوانه نیستیم.»
«ما شکاک بودیم. نیاز داشتیم که بیشتر تحقیق کنیم تا ثابت کنیم که واقعاً این آب است که تشکیل شده است.» محقق دیگری به نام کونمو کوو اضافه کرد.
محققان از طیف‌سنجی از دست دادن انرژی الکترون برای تحلیل این حباب‌ها استفاده کردند. با بررسی از دست دادن انرژی الکترون‌های پراکنده‌شده، آن‌ها ویژگی‌های پیوند اکسیژن منحصر به فرد آب را شناسایی کردند.
برای تأیید اینکه این حباب‌ها واقعاً آب هستند، آن‌ها را گرم کردند تا نقطه جوش را ارزیابی کنند.
سریع‌ترین راه برای تولید آب
پس از اینکه متخصصان تأیید کردند که واکنش پالادیوم آب تولید می‌کند، چالش بعدی بهینه‌سازی فرآیند بود. آن‌ها ترکیبات مختلف هیدروژن و اکسیژن را آزمایش کردند تا سریع‌ترین نرخ تولید آب را مشخص کنند.
تیم متوجه شد که افزودن هیدروژن در ابتدا، و پس از آن اکسیژن، به سریع‌ترین نرخ واکنش منجر می‌شود. پس از پر کردن پالادیوم با هیدروژن، آن‌ها سپس گاز اکسیژن را اضافه کردند و واکنش سریع انجام شد.
لیو توضیح داد: «وقتی ما ابتدا هیدروژن را در پالادیوم ذخیره کردیم و سپس اکسیژن اضافه کردیم، واکنش آغاز شد. هیدروژن از پالادیوم خارج می‌شود تا با اکسیژن واکنش دهد و پالادیوم کوچک می‌شود و به حالت اولیه خود بازمی‌گردد.»
سیستمی پایدار برای اکتشافات فضایی
تیم دانشگاه نورث‌وسترن آینده‌ای را تصور می‌کند که این فرآیند می‌تواند به خوبی مورد استفاده قرار گیرد. ایده این است که پالادیوم پر از هیدروژن را قبل از سفر به فضا آماده کنند و سپس اکسیژن را اضافه کنند تا برای نوشیدن یا آبیاری گیاهان، آب تولید کنند.
اگرچه این مطالعه بر بررسی تولید حباب در مقیاس نانو تمرکز داشت، صفحات بزرگ‌تر پالادیوم مقادیر بسیار بیشتری از آب تولید می‌کنند.
لیو گفت: «ممکن است پالادیوم گران به نظر برسد، اما قابل بازیافت است. فرآیند ما آن را مصرف نمی‌کند. تنها چیزی که مصرف می‌شود گاز است و هیدروژن فراوان‌ترین گاز در جهان است. پس از واکنش، ما می‌توانیم پلتفرم پالادیوم را بارها و بارها استفاده کنیم.»
این مطالعه در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.