Forscher beobachten in Echtzeit die Wasserbildung im Nanomaßstab

Zum ersten Mal haben Forscher in Echtzeit und auf molekularer Ebene beobachtet, wie Wasserstoff- und Sauerstoffatome zu winzigen Wasserblasen in Nanogröße verschmelzen.

Das Ereignis ereignete sich im Rahmen einer neuen Studie der Northwestern University, in deren Rahmen Wissenschaftler verstehen wollten, wie Palladium, ein seltenes Metallelement, die Gasreaktion zur Erzeugung von Wasser katalysiert. Indem das Northwestern-Team die Reaktion auf der Nanoskala beobachtete, entschlüsselte es, wie der Prozess abläuft, und entdeckte sogar neue Strategien, um ihn zu beschleunigen.

Da die Reaktion keine extremen Bedingungen erfordert, könnte sie laut den Forschern als praktische Lösung für die schnelle Wassererzeugung in trockenen Umgebungen, auch auf anderen Planeten, genutzt werden.

Die Forschung ist veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

„Durch die direkte Visualisierung der Wassererzeugung im Nanomaßstab konnten wir die optimalen Bedingungen für eine schnelle Wassererzeugung unter Umgebungsbedingungen identifizieren“, sagte Vinayak Dravid von Northwestern, leitender Autor der Studie. „Diese Erkenntnisse haben erhebliche Auswirkungen auf praktische Anwendungen, beispielsweise die Ermöglichung einer schnellen Wassererzeugung in Weltraumumgebungen mithilfe von Gasen und Metallkatalysatoren, ohne dass extreme Reaktionsbedingungen erforderlich sind.“

„Denken Sie an Matt Damons Figur Mark Watney im Film „Der Marsianer“. Er verbrannte Raketentreibstoff, um Wasserstoff zu extrahieren, und fügte dann Sauerstoff aus seinem Oxygenator hinzu. Unser Verfahren ist analog, außer dass wir auf Feuer und andere extreme Bedingungen verzichten. Wir haben einfach Palladium und Gase gemischt.

Dravid ist Abraham Harris-Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University und Gründungsdirektor des Atomic and Nanoscale Characterization Experimental (NUANCE) Center der Northwestern University, wo die Studie durchgeführt wurde. Er ist außerdem Direktor für globale Initiativen am International Institute for Nanotechnology.

Neue Technologien ermöglichen Entdeckungen

Seit dem frühen 20. Jahrhundert wissen Forscher, dass Palladium als Katalysator für die schnelle Erzeugung von Wasser fungieren kann. Doch wie genau diese Reaktion abläuft, bleibt ein Rätsel.

„Es ist ein bekanntes Phänomen, aber es wurde nie vollständig verstanden“, sagte Yukun Liu, der Erstautor der Studie und Doktorand. Kandidat in Dravids Labor. „Denn man muss wirklich in der Lage sein, die direkte Visualisierung der Wassererzeugung und die Strukturanalyse auf atomarer Ebene zu kombinieren, um herauszufinden, was bei der Reaktion passiert und wie man sie optimieren kann.“

Aber den Prozess mit atomarer Präzision zu betrachten, war einfach unmöglich – bis vor neun Monaten. Im Januar 2024 stellte Dravids Team eine neuartige Methode zur Analyse von Gasmolekülen in Echtzeit vor. Dravid und sein Team entwickelten eine ultradünne Glasmembran, die Gasmoleküle in wabenförmigen Nanoreaktoren hält, sodass sie in Hochvakuum-Transmissionselektronenmikroskopen betrachtet werden können.

Mit der neuen Technik, zuvor veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschrittekönnen Forscher Proben in Atmosphärendruckgas mit einer Auflösung von nur 0,102 Nanometern untersuchen, verglichen mit einer Auflösung von 0,236 Nanometern bei anderen hochmodernen Werkzeugen. Die Technik ermöglichte erstmals auch eine gleichzeitige spektrale und reziproke Informationsanalyse.

„Durch den Einsatz der ultradünnen Membran erhalten wir mehr Informationen aus der Probe selbst“, sagte Kunmo Koo, Erstautor des Science Advances-Artikels und wissenschaftlicher Mitarbeiter am NUANCE Center, wo er von Professor Xiaobing Hu betreut wird. „Ansonsten stören Informationen aus dem dicken Behälter die Analyse.“

Kleinste Blase, die jemals gesehen wurde

Mithilfe der neuen Technologie untersuchten Dravid, Liu und Koo die Palladiumreaktion. Zuerst sahen sie, wie die Wasserstoffatome in das Palladium eindrangen und dessen quadratisches Gitter erweiterten. Doch als sie sahen, wie sich auf der Palladiumoberfläche winzige Wasserblasen bildeten, trauten die Forscher ihren Augen nicht.

„Wir glauben, dass es sich um die kleinste jemals gebildete Blase handeln könnte, die direkt beobachtet wurde“, sagte Liu. „Das ist nicht das, was wir erwartet hatten. Zum Glück haben wir es aufgenommen, damit wir anderen Leuten beweisen konnten, dass wir nicht verrückt waren.“

„Wir waren skeptisch“, fügte Koo hinzu. „Wir mussten es weiter untersuchen, um zu beweisen, dass es tatsächlich Wasser war, das sich gebildet hat.“

Das Team implementierte eine Technik namens Elektronenenergieverlustspektroskopie, um die Blasen zu analysieren. Durch die Untersuchung des Energieverlusts gestreuter Elektronen identifizierten die Forscher die für Wasser typischen Sauerstoffbindungseigenschaften und bestätigten, dass es sich bei den Blasen tatsächlich um Wasser handelte. Anschließend überprüften die Forscher dieses Ergebnis, indem sie die Blase erhitzten, um den Siedepunkt zu bestimmen.

„Es ist ein nanoskaliges Analogon des Chandrayaan-1-Mondrover-Experiments, bei dem nach Beweisen für Wasser im Mondboden gesucht wurde“, sagte Koo. „Bei der Untersuchung des Mondes nutzte es Spektroskopie, um Moleküle in der Atmosphäre und auf der Oberfläche zu analysieren und zu identifizieren. Wir wählten einen ähnlichen spektroskopischen Ansatz, um festzustellen, ob es sich bei dem erzeugten Produkt tatsächlich um Wasser handelte.“

Rezept zur Optimierung

Nachdem bestätigt wurde, dass bei der Palladiumreaktion Wasser entsteht, versuchten die Forscher als nächstes, den Prozess zu optimieren. Sie fügten Wasserstoff und Sauerstoff getrennt zu unterschiedlichen Zeiten hinzu oder vermischten sie miteinander, um zu bestimmen, welche Abfolge von Ereignissen am schnellsten Wasser erzeugte.

Dravid, Liu und Koo entdeckten, dass die erste Zugabe von Wasserstoff und dann von Sauerstoff zu der schnellsten Reaktionsgeschwindigkeit führte. Da Wasserstoffatome so klein sind, können sie sich zwischen die Atome des Palladiums zwängen, wodurch sich das Metall ausdehnt. Nachdem sie das Palladium mit Wasserstoff gefüllt hatten, fügten die Forscher Sauerstoffgas hinzu.

„Sauerstoffatome sind energetisch günstig für die Adsorption auf Palladiumoberflächen, aber sie sind zu groß, um in das Gitter einzudringen“, sagte Liu. „Als wir zuerst Sauerstoff einströmten, bedeckten seine dissoziierten Atome die gesamte Oberfläche des Palladiums, sodass Wasserstoff nicht an der Oberfläche adsorbieren und die Reaktion auslösen konnte. Aber als wir zuerst Wasserstoff im Palladium speicherten und dann Sauerstoff hinzufügten, begann die Reaktion.“ . Wasserstoff tritt aus dem Palladium aus, um mit dem Sauerstoff zu reagieren, und das Palladium schrumpft und kehrt in seinen Ausgangszustand zurück.“

Nachhaltiges System für den Weltraum

Das Northwestern-Team geht davon aus, dass andere in Zukunft möglicherweise wasserstoffgefülltes Palladium herstellen könnten, bevor sie ins All fliegen. Um Wasser zum Trinken oder zum Gießen von Pflanzen zu erzeugen, müssen Reisende dann nur noch Sauerstoff hinzufügen. Obwohl sich die Studie auf die Untersuchung der Blasenbildung im Nanomaßstab konzentrierte, würden größere Palladiumschichten viel größere Mengen Wasser erzeugen.

„Palladium mag teuer erscheinen, aber es ist recycelbar“, sagte Liu. „Unser Prozess verbraucht es nicht. Das Einzige, was verbraucht wird, ist Gas, und Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Gas im Universum. Nach der Reaktion können wir die Palladiumplattform immer wieder verwenden.“