В тихой лаборатории Северо-Западного университета группа ученых, затаив дыхание, всматривалась в мощный микроскоп. Они увидели то, чего никогда не видел ни один человек: момент слияния атомов водорода и кислорода с образованием воды.

По сути, это были самые маленькие пузырьки, которые когда-либо видели, мерцающие на поверхности палладия.

Исследование, проведенное доктором Винаяком Дравидом, предлагает не только представление о молекулярном происхождении воды, но и дорожную карту для создания воды в некоторых из самых экстремальных условий на Земле — и, возможно, даже за ее пределами.

Создание воды из воздуха

На протяжении десятилетий ученые знали, что палладий может катализировать реакцию образования воды. Тем не менее, несмотря на годы исследований, реальный процесс оставался окутанным тайной. Никто никогда не мог увидеть момент соединения водорода и кислорода в таком микроскопическом масштабе.

«Это известный феномен, но он никогда не был полностью понят», — сказал Юкун Лю, доктор философии. студент, работающий в лаборатории Дравида, и первый автор исследования. «Потому что вам действительно нужно уметь сочетать прямую визуализацию образования воды и анализ структуры на атомном уровне, чтобы понять, что происходит».

Затем, девять месяцев назад, все изменилось. Команда Дравида разработала новый метод, используя тонкую мембрану в форме сот, которая улавливает молекулы газа и позволяет команде наблюдать их в режиме реального времени под мощным электронным микроскопом. Когда атомы столкнулись и началась реакция, исследователи стали свидетелями рождения мельчайших пузырьков воды, которые только можно вообразить.

Поначалу команда с трудом могла поверить в то, что видела. «Мы думаем, что это может быть самый маленький пузырь, когда-либо образовавшийся, который можно было наблюдать напрямую», — сказал Лю. «Это не то, чего мы ожидали. К счастью, мы записывали это, чтобы доказать другим людям, что мы не сумасшедшие».

План космоса и не только

Команда Дравида была не просто заинтересована в наблюдении за образованием воды — они хотели ускорить этот процесс. И это именно то, что они сделали. Они обнаружили, что введение водорода в палладий перед добавлением кислорода резко ускоряет реакцию. Атомы водорода проникли в решетку палладия, заставив ее расшириться. Затем, когда добавили кислород, реакция пошла, образовав воду на поверхности.

Хотя эксперимент был небольшим по масштабу, потенциальные возможности его применения огромны. В будущем более крупные листы палладия можно будет использовать для получения гораздо большего количества воды. Дравид предполагает сценарий, в котором астронавты, направляясь на Марс или в глубокий космос, будут нести с собой палладий, наполненный водородом. Как только они доберутся до места назначения, все, что им нужно будет сделать, это добавить кислород для получения воды для питья или выращивания сельскохозяйственных культур.

«Вспомните персонажа Мэтта Дэймона, Марка Уотни, в фильме «Марсианин», — сказал Дравид. «Он сжигал ракетное топливо, чтобы получить водород, а затем добавлял кислород из своего оксигенатора. Наш процесс аналогичен, за исключением того, что мы обходим необходимость пожара и других экстремальных условий. Мы просто смешали палладий и газы».

Эту технологию можно также использовать здесь, на Земле, где многие регионы сталкиваются с нехваткой воды. По данным ООН, 1,1 миллиарда человек не имеют доступа к воде, а 2,7 миллиарда испытывают нехватку воды как минимум один месяц в году. В пустынях и других засушливых районах этот метод может обеспечить возможность получения чистой воды путем простого смешивания газов. И хотя палладий может показаться дорогим решением, команда отмечает, что его можно использовать повторно — как и любой катализатор, палладий сам по себе не расходуется и может использоваться повторно снова и снова.

Будущее, полное возможностей

На данный момент команда сосредоточена на совершенствовании процесса и изучении того, как его можно расширить для практического использования. Но их открытие открывает двери для новых взглядов на воду — как она производится, откуда ее добывают и как мы можем поддерживать жизнь в самых негостеприимных местах.

Легко забыть, насколько фундаментальна вода. Он нужен нам для всего — от питья до выращивания продуктов питания. Но сможем ли мы создать его из воздуха, в экстремальных условиях? Это могло бы изменить всё.

Пока мельчайшие пузырьки воды продолжают мерцать в их лаборатории, команда Northwestern уже продумывает следующие шаги.

Результаты появились в Труды Национальной академии наук .