Onderzoekers zijn in realtime getuige van watervorming op nanoschaal

Voor de eerste keer ooit zijn onderzoekers getuige geweest – in realtime en op moleculaire schaal – van waterstof- en zuurstofatomen die samensmelten tot kleine belletjes water van nanoformaat.

De gebeurtenis vond plaats als onderdeel van een nieuw onderzoek van de Northwestern University, waarin wetenschappers probeerden te begrijpen hoe palladium, een zeldzaam metaalachtig element, de gasvormige reactie katalyseert om water te genereren. Door getuige te zijn van de reactie op nanoschaal, ontrafelde het Northwestern-team hoe het proces plaatsvindt en ontdekte het zelfs nieuwe strategieën om het te versnellen.

Omdat de reactie geen extreme omstandigheden vereist, zeggen de onderzoekers dat deze kan worden ingezet als een praktische oplossing voor het snel genereren van water in droge omgevingen, ook op andere planeten.

Het onderzoek is gepubliceerd in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

“Door de waterproductie op nanoschaal direct te visualiseren, konden we de optimale omstandigheden voor snelle waterproductie onder omgevingsomstandigheden identificeren”, zegt Vinayak Dravid van Northwestern, senior auteur van het onderzoek. “Deze bevindingen hebben aanzienlijke implicaties voor praktische toepassingen, zoals het mogelijk maken van snelle watergeneratie in diepe ruimteomgevingen met behulp van gassen en metaalkatalysatoren, zonder dat extreme reactieomstandigheden nodig zijn.

“Denk aan het personage van Matt Damon, Mark Watney, in de film ‘The Martian.’ Hij verbrandde raketbrandstof om waterstof te extraheren en voegde vervolgens zuurstof uit zijn oxygenator toe. Ons proces is analoog, behalve dat we de noodzaak van vuur en andere extreme omstandigheden omzeilen. We mengden eenvoudigweg palladium en gassen.

Dravid is Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering in Northwestern en oprichter en directeur van het Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental (NUANCE) Center, waar het onderzoek werd uitgevoerd. Hij is tevens directeur van mondiale initiatieven bij het International Institute for Nanotechnology.

Nieuwe technologie maakt ontdekking mogelijk

Sinds het begin van de 20e eeuw weten onderzoekers dat palladium kan fungeren als katalysator om snel water te genereren. Maar hoe deze reactie precies plaatsvindt, is een mysterie gebleven.

“Het is een bekend fenomeen, maar het werd nooit volledig begrepen”, zegt Yukun Liu, de eerste auteur van het onderzoek en een Ph.D. kandidaat in het laboratorium van Dravid. “Omdat je echt de directe visualisatie van watergeneratie en de structuuranalyse op atomaire schaal moet kunnen combineren om erachter te komen wat er met de reactie gebeurt en hoe je deze kunt optimaliseren.”

Maar het proces met atomaire precisie bekijken was eenvoudigweg onmogelijk – tot negen maanden geleden. In januari 2024 onthulde het team van Dravid een nieuwe methode om gasmoleculen in realtime te analyseren. Dravid en zijn team ontwikkelden een ultradun glasachtig membraan dat gasmoleculen in honingraatvormige nanoreactoren vasthoudt, zodat ze kunnen worden bekeken in hoogvacuümtransmissie-elektronenmicroscopen.

Met de nieuwe techniek, eerder gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangkunnen onderzoekers monsters in gas onder atmosferische druk onderzoeken met een resolutie van slechts 0,102 nanometer, vergeleken met een resolutie van 0,236 nanometer met behulp van andere geavanceerde hulpmiddelen. De techniek maakte voor het eerst ook gelijktijdige spectrale en wederkerige informatieanalyse mogelijk.

“Met behulp van het ultradunne membraan krijgen we meer informatie uit het monster zelf”, zegt Kunmo Koo, eerste auteur van het Science Advances-artikel en onderzoeksmedewerker bij het NUANCE Center, waar hij wordt begeleid door universitair hoofddocent Xiaobing Hu. “Anders verstoort informatie uit de dikke container de analyse.”

Kleinste bubbel ooit gezien

Met behulp van de nieuwe technologie onderzochten Dravid, Liu en Koo de palladiumreactie. Eerst zagen ze de waterstofatomen het palladium binnendringen en het vierkante rooster uitzetten. Maar toen ze kleine waterbelletjes op het palladiumoppervlak zagen ontstaan, konden de onderzoekers hun ogen niet geloven.

“We denken dat dit misschien wel de kleinste zeepbel is die ooit is gevormd en die rechtstreeks is bekeken”, zei Liu. “Het is niet wat we hadden verwacht. Gelukkig waren we het aan het opnemen, zodat we aan andere mensen konden bewijzen dat we niet gek waren.”

“We waren sceptisch”, voegde Koo eraan toe. “We moesten het verder onderzoeken om te bewijzen dat het eigenlijk water was dat zich vormde.”

Het team implementeerde een techniek, elektronenenergieverliesspectroscopie genaamd, om de bellen te analyseren. Door het energieverlies van verstrooide elektronen te onderzoeken, identificeerden onderzoekers zuurstofbindende eigenschappen die uniek zijn voor water, wat bevestigde dat de belletjes inderdaad water waren. De onderzoekers controleerden dit resultaat vervolgens door de bel te verwarmen om het kookpunt te evalueren.

“Het is een analoog op nanoschaal van het Chandrayaan-1 maanrover-experiment, dat zocht naar bewijs van water in de maangrond”, zei Koo. “Tijdens het onderzoek naar de maan maakte het gebruik van spectroscopie om moleculen in de atmosfeer en op het oppervlak te analyseren en te identificeren. We gebruikten een vergelijkbare spectroscopische benadering om te bepalen of het gegenereerde product inderdaad water was.”

Recept voor optimalisatie

Nadat ze hadden bevestigd dat de palladiumreactie water genereerde, probeerden de onderzoekers vervolgens het proces te optimaliseren. Ze voegden waterstof en zuurstof afzonderlijk toe op verschillende tijdstippen of mengden ze met elkaar om te bepalen welke reeks gebeurtenissen het snelst water genereerde.

Dravid, Liu en Koo ontdekten dat het eerst toevoegen van waterstof, gevolgd door zuurstof, tot de snelste reactiesnelheid leidde. Omdat waterstofatomen zo klein zijn, kunnen ze zich tussen de atomen van palladium wringen, waardoor het metaal uitzet. Nadat ze het palladium met waterstof hadden gevuld, voegden de onderzoekers zuurstofgas toe.

“Zuurstofatomen zijn energetisch gunstig om te adsorberen op palladiumoppervlakken, maar ze zijn te groot om het rooster binnen te dringen”, zei Liu. ‘Toen we eerst zuurstof binnenstroomden, bedekten de gedissocieerde atomen het hele oppervlak van het palladium, zodat waterstof niet aan het oppervlak kon adsorberen om de reactie op gang te brengen. Maar toen we eerst waterstof in het palladium opsloegen en vervolgens zuurstof toevoegden, begon de reactie. Waterstof komt uit het palladium om te reageren met de zuurstof, en het palladium krimpt en keert terug naar zijn oorspronkelijke staat.

Duurzaam systeem voor de diepe ruimte

Het Northwestern-team stelt zich voor dat anderen in de toekomst mogelijk met waterstof gevuld palladium kunnen bereiden voordat ze de ruimte in reizen. Om vervolgens water te genereren om te drinken of om planten water te geven, hoeven reizigers alleen maar zuurstof toe te voegen. Hoewel het onderzoek zich richtte op het bestuderen van de vorming van bellen op nanoschaal, zouden grotere platen palladium veel grotere hoeveelheden water genereren.

“Palladium lijkt misschien duur, maar het is recyclebaar”, zei Liu. “Ons proces verbruikt het niet. Het enige dat wordt verbruikt is gas, en waterstof is het meest voorkomende gas in het universum. Na de reactie kunnen we het palladiumplatform keer op keer hergebruiken.”