我們都知道水的成分。你取兩個氫原子和一個氧原子，將它們混合在一起就這樣， 和瞧– 你擁有對地球生命最重要的化合物分子。
現在，科學家第一次近距離觀察到這一過程。西北大學的材料科學家 Vinayak Dravid 和他的同事在分子尺度上實時觀察到有史以來最微小的水泡似乎憑空綻放。
他們是怎麼做到的？通過利用鈀的奇怪力量，鈀是一種已知可以催化這兩種元素的金屬合成水。
“想想馬特·達蒙在電影中扮演的角色馬克·沃特尼火星人,”德拉維德 說。 “他燃燒火箭燃料來提取氫氣，然後從充氧器中添加氧氣。我們的過程是類似的，只是我們繞過了對火和其他極端條件的需要。我們只是將鈀和氣體混合在一起。”
我們已經知道鈀具有在相對較短的時間內合成大量水的奇怪能力。但它到底是如何運作的卻很難確定。這是因為很難在其發生的規模上觀察到該過程。
“你確實需要能夠將水生成的直接可視化和原子尺度的結構分析結合起來，以便弄清楚發生了什麼，”材料科學家 Yukun Liu 解釋道西北大學。
為了克服這一重大障礙，該團隊開發了一種膜，可以將分子捕獲在微小的六角形納米反應器細胞內。這使得使用透射電子顯微鏡更容易對分子過程進行成像，低至納米尺度。
即便如此，研究人員不確定他們直接觀察鈀反應的嘗試是否會成功。他們將氫原子和氧原子添加到 20 納米寬的鈀片表面，並利用膜捕獲隨後發生的相互作用。
單個水分子的直徑不到三分之一納米，而它們組成的原子則小得多。為了“看到”這些微小化合物的鍵合，研究人員使用電子顯微鏡的一種形式記錄了電子散射所損失的能量。
令他們驚訝的是，他們能夠實時觀察到原子在鈀表面結合形成微小的水泡。
“我們認為這可能是迄今為止直接觀察到的最小的泡沫，”劉說。 “這不是我們所期待的。幸運的是，我們正在錄製它，這樣我們就可以向其他人證明我們沒有瘋。”
接下來，他們嘗試簡化該過程，分別添加氫氣和氧氣。他們能夠確定該過程分兩步進行。首先，氫原子擠入鈀的表面，將自身插入到原子晶格中並使金屬表面膨脹，導致其膨脹。
然後，當添加氧氣時，氫氣從其鈀隱藏孔中逸出並與氧氣合併形成水滴。與此同時，鈀金又恢復到原來不浮腫的狀態。
“鈀金可能看起來很貴，但它是可回收的，”劉說。 “我們的工藝不消耗它。唯一消耗的是氣體，而氫氣是宇宙中最豐富的氣體。反應後，我們可以一遍又一遍地重複使用鈀平台。”
這是一個非常簡單的過程，而且可以擴展。您所需要的只是一塊更大的鈀。如果有穩定的循環氧氣和氫氣供應，水分子可以在月球棲息地上從頭開始構建，基地、空間站，或者可能是前往星星的長途太空飛行。
一塊足夠大的鈀可以補充地球上水資源稀缺的水供應在菜單上。我們認為鈀汁可能是一個受歡迎的變化。
該研究發表在美國國家科學院院刊。
