Các nhà nghiên cứu ở Tây Bắc đã phát hiện ra phương pháp nano để tạo ra nước bằng palladium, mở ra khả năng du hành vũ trụ và giải pháp cho khí hậu khô hạn.
Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã chứng kiến - trong thời gian thực và ở quy mô phân tử - các nguyên tử hydro và oxy kết hợp để tạo thành các bong bóng nước nhỏ có kích thước nano.
Sự kiện này xảy ra trong quá trình nghiên cứu mới của Đại học Northwestern, được công bố trên Biên bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia , trong đó các nhà khoa học tìm cách hiểu cách palladium, một nguyên tố kim loại hiếm, xúc tác phản ứng khí để tạo ra nước. Bằng cách chứng kiến phản ứng ở cấp độ nano, nhóm nghiên cứu của Đại học Northwestern đã làm sáng tỏ quá trình diễn ra như thế nào và thậm chí còn khám phá ra các chiến lược mới để đẩy nhanh quá trình này.
Ứng dụng thực tế cho việc thám hiểm không gian sâu
Vì phản ứng này không đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt nên các nhà nghiên cứu cho biết nó có thể được sử dụng như một giải pháp thực tế để tạo ra nước nhanh chóng trong môi trường khô cằn, kể cả trên các hành tinh khác.
"Bằng cách trực tiếp hình dung quá trình tạo nước ở quy mô nano, chúng tôi có thể xác định các điều kiện tối ưu để tạo ra nước nhanh chóng trong điều kiện môi trường xung quanh", Vinayak Dravid của Northwestern, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. "Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với các ứng dụng thực tế, chẳng hạn như cho phép tạo ra nước nhanh chóng trong môi trường không gian sâu bằng cách sử dụng khí và chất xúc tác kim loại, mà không cần điều kiện phản ứng khắc nghiệt.
“Hãy nghĩ đến nhân vật Mark Watney của Matt Damon trong bộ phim 'The Martian'. Anh ấy đốt nhiên liệu tên lửa để chiết xuất hydro và sau đó thêm oxy từ máy tạo oxy của mình. Quy trình của chúng tôi tương tự, ngoại trừ việc chúng tôi bỏ qua nhu cầu về lửa và các điều kiện khắc nghiệt khác. Chúng tôi chỉ cần trộn paladi và khí với nhau.”
Dravid là Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Abraham Harris tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern và là giám đốc sáng lập của Trung tâm Thí nghiệm Đặc tính Nguyên tử và Nano (NUANCE) của Đại học Northwestern, nơi nghiên cứu được tiến hành. Ông cũng là giám đốc sáng kiến toàn cầu tại Viện Công nghệ Nano Quốc tế.
Kỹ thuật mới thúc đẩy khám phá
Từ đầu những năm 1900, các nhà nghiên cứu đã biết rằng palladium có thể hoạt động như một chất xúc tác để tạo ra nước nhanh chóng. Nhưng chính xác thì phản ứng này diễn ra như thế nào vẫn còn là một bí ẩn.
“Đây là một hiện tượng đã biết, nhưng chưa bao giờ được hiểu đầy đủ”, Yukun Liu, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là ứng viên Tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Dravid cho biết. “Bởi vì bạn thực sự cần có khả năng kết hợp hình ảnh trực tiếp về quá trình tạo nước và phân tích cấu trúc ở quy mô nguyên tử để tìm ra điều gì đang xảy ra với phản ứng và cách tối ưu hóa nó”.
Xem các bong bóng nước xuất hiện và phát triển trên bề mặt của một nanocube palladium. Thanh tỷ lệ bằng 20 nanomet. Tín dụng: Vinayak Dravid/Northwestern University
Nhưng việc quan sát quá trình này với độ chính xác nguyên tử là điều không thể — cho đến chín tháng trước. Vào tháng 1 năm 2024, nhóm của Dravid đã công bố một phương pháp mới để phân tích các phân tử khí theo thời gian thực. Dravid và nhóm của ông đã phát triển một màng thủy tinh siêu mỏng giữ các phân tử khí bên trong các lò phản ứng nano hình tổ ong, do đó chúng có thể được quan sát trong kính hiển vi điện tử truyền qua chân không cao.
Với kỹ thuật mới, trước đây đã được công bố trên tạp chí Science Advances , các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra các mẫu trong khí áp suất khí quyển ở độ phân giải chỉ 0,102 nanomet, so với độ phân giải 0,236 nanomet khi sử dụng các công cụ tiên tiến khác. Kỹ thuật này cũng cho phép phân tích thông tin quang phổ và thông tin qua lại đồng thời lần đầu tiên.
“Sử dụng màng siêu mỏng, chúng tôi có thể thu thập được nhiều thông tin hơn từ chính mẫu vật”, Kunmo Koo, tác giả đầu tiên của bài báo Science Advances và là cộng sự nghiên cứu tại Trung tâm NU ANCE , nơi ông được cố vấn bởi phó giáo sư nghiên cứu Xiaobing Hu, cho biết. “Nếu không, thông tin từ thùng chứa dày sẽ cản trở quá trình phân tích”.
Bong bóng nhỏ nhất từng được quan sát
Sử dụng công nghệ mới, Dravid, Liu và Koo đã kiểm tra phản ứng palladium. Đầu tiên, họ thấy các nguyên tử hydro đi vào palladium, mở rộng mạng lưới vuông của nó. Nhưng khi họ thấy những bong bóng nước nhỏ hình thành trên bề mặt palladium, các nhà nghiên cứu không thể tin vào mắt mình.
"Chúng tôi nghĩ rằng đây có thể là bong bóng nhỏ nhất từng được hình thành và được quan sát trực tiếp", Liu nói. "Nó không phải là điều chúng tôi mong đợi. May mắn thay, chúng tôi đã ghi lại nó, vì vậy chúng tôi có thể chứng minh với những người khác rằng chúng tôi không bị điên".
“Chúng tôi đã hoài nghi,” Koo nói thêm. “Chúng tôi cần phải điều tra thêm để chứng minh rằng thực ra đó là nước hình thành.”
Nhóm nghiên cứu đã triển khai một kỹ thuật gọi là quang phổ mất năng lượng electron để phân tích các bong bóng. Bằng cách kiểm tra sự mất năng lượng của các electron phân tán, các nhà nghiên cứu đã xác định được các đặc điểm liên kết oxy đặc trưng của nước, xác nhận các bong bóng thực sự là nước. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra chéo kết quả này bằng cách đun nóng bong bóng để đánh giá điểm sôi.
“Đây là một mô phỏng ở cấp độ nano của thí nghiệm xe tự hành trên mặt trăng Chandrayaan-1, tìm kiếm bằng chứng về nước trong đất trên mặt trăng,” Koo cho biết. “Trong khi khảo sát mặt trăng, nó đã sử dụng phương pháp quang phổ để phân tích và xác định các phân tử trong khí quyển và trên bề mặt. Chúng tôi đã áp dụng phương pháp quang phổ tương tự để xác định xem sản phẩm tạo ra có thực sự là nước hay không.”
Tối ưu hóa quá trình tổng hợp nước
Sau khi xác nhận phản ứng palladium tạo ra nước, các nhà nghiên cứu tiếp tục tìm cách tối ưu hóa quá trình. Họ thêm hydro và oxy riêng biệt vào các thời điểm khác nhau hoặc trộn lẫn với nhau để xác định trình tự sự kiện nào tạo ra nước ở tốc độ nhanh nhất.
Dravid, Liu và Koo phát hiện ra rằng việc thêm hydro trước, sau đó là oxy, dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh nhất. Vì các nguyên tử hydro rất nhỏ, chúng có thể chen vào giữa các nguyên tử của palladium — khiến kim loại này giãn nở. Sau khi đổ đầy hydro vào palladium, các nhà nghiên cứu đã thêm khí oxy.
“Các nguyên tử oxy có lợi về mặt năng lượng để hấp phụ lên bề mặt paladi, nhưng chúng quá lớn để đi vào mạng lưới,” Liu cho biết. “Khi chúng tôi cho oxy chảy vào trước, các nguyên tử phân ly của nó bao phủ toàn bộ bề mặt paladi, do đó hydro không thể hấp phụ lên bề mặt để kích hoạt phản ứng. Nhưng khi chúng tôi lưu trữ hydro trong paladi trước, sau đó thêm oxy, phản ứng bắt đầu. Hydro thoát ra khỏi paladi để phản ứng với oxy, và paladi co lại và trở về trạng thái ban đầu.”
Hệ thống bền vững cho không gian sâu thẳm
Nhóm nghiên cứu Northwestern hình dung rằng những người khác, trong tương lai, có khả năng chuẩn bị palladium chứa đầy hydro trước khi du hành vào không gian. Sau đó, để tạo ra nước uống hoặc tưới cây, du khách chỉ cần thêm oxy. Mặc dù nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu quá trình tạo bọt ở cấp độ nano, nhưng các tấm palladium lớn hơn sẽ tạo ra lượng nước lớn hơn nhiều.
“Paladi có vẻ đắt, nhưng nó có thể tái chế được,” Liu nói. “Quy trình của chúng tôi không tiêu thụ nó. Thứ duy nhất được tiêu thụ là khí, và hydro là loại khí dồi dào nhất trong vũ trụ. Sau phản ứng, chúng tôi có thể tái sử dụng nền tảng paladi nhiều lần.”
Tài liệu tham khảo: “Giải mã phản ứng oxy hóa hydro giới hạn hấp phụ trên bề mặt paladi thông qua kính hiển vi điện tử tại chỗ” của Yukun Liu, Kunmo Koo, Zugang Mao, Xianbiao Fu, Xiaobing Hu và Vinayak P. Dravid, ngày 27 tháng 9 năm 2024, Biên bản báo cáo của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia .
DOI: 10.1073/pnas.2408277121
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân (số tài trợ AFOSR FA9550-22-1-0300) và công trình liên quan đến hydro của Trung tâm Hydro trong Khoa học Năng lượng và Thông tin, một Trung tâm Nghiên cứu Biên giới Năng lượng do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ, Văn phòng Khoa học (số tài trợ DE-SC0023450).
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
