有史以来第一次，研究人员在分子尺度上实时见证了氢原子和氧原子融合形成微小的纳米级水泡。

这一事件是西北大学一项新研究的一部分，在这项研究中，科学家们试图了解钯这种稀有金属元素是如何催化气体反应生成水的。通过观察纳米级的反应，西北大学的研究小组揭示了这一过程是如何发生的，甚至发现了加速这一过程的新策略。

由于这种反应不需要极端条件，研究人员说，它可以作为一种实用的解决方案，在干旱环境中快速产生水，包括在其他行星上。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

“通过直接可视化纳米尺度的水生成，我们能够确定在环境条件下快速水生成的最佳条件，”西北大学的Vinayak Dravid说，他是这项研究的高级作者。“这些发现对实际应用具有重要意义，例如在不需要极端反应条件的情况下，使用气体和金属催化剂在深空环境中快速生成水。

想想电影《火星救援》(the Martian)中马特·达蒙(Matt Damon)饰演的马克·沃特尼(Mark Watney)。他燃烧火箭燃料提取氢气，然后从氧合器中加入氧气。我们的过程是类似的，除了我们不需要火和其他极端条件。我们只是把钯和气体混合在一起。”

德拉维德是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程的亚伯拉罕·哈里斯教授，也是西北大学原子与纳米尺度表征实验中心(NUANCE)的创始主任，该研究正是在该中心进行的。他也是国际纳米技术研究所的全球项目主任。

新技术使发现成为可能

自20世纪初以来，研究人员已经知道钯可以作为催化剂快速生成水。但这种反应究竟是如何发生的仍然是个谜。

“这是一个已知的现象，但它从未被完全理解，”该研究的第一作者、德拉维德实验室的博士候选人刘宇昆(Yukun Liu)说。“因为你真的需要能够将水生成的直接可视化和原子尺度上的结构分析结合起来，以便弄清楚反应发生了什么，以及如何优化它。”

但直到9个月前，以原子精度观察这一过程根本是不可能的。2024年1月，德拉维德的团队公布了一种实时分析气体分子的新方法。德拉维德和他的团队开发了一种超薄玻璃膜，将气体分子保存在蜂窝状的纳米反应器中，这样它们就可以在高真空透射电子显微镜下观察到。

这项新技术之前发表在《科学进展》杂志上，研究人员可以在大气压力气体中以0.102纳米的分辨率检测样品，而使用其他最先进的工具则可以达到0.236纳米的分辨率。该技术还首次实现了同时光谱和互反信息分析。

“使用超薄薄膜，我们可以从样本本身获得更多信息，”《科学进展》论文的第一作者、NUANCE中心的研究助理顾昆谟(Kunmo Koo)说。他在NUANCE中心接受研究副教授胡晓兵的指导。“否则，来自厚容器的信息会干扰分析。”

有史以来最小的气泡

利用新技术，Dravid、Liu和Koo研究了钯的反应。首先，他们观察到氢原子进入钯，扩大了它的方形晶格。但当他们看到钯表面形成微小的水泡时，研究人员简直不敢相信自己的眼睛。

刘说:“我们认为这可能是有史以来被直接观测到的最小的气泡。”“这不是我们所期望的。幸运的是，我们把它录了下来，这样我们就可以向其他人证明我们没有疯。”

“我们对此持怀疑态度，”Koo补充道。“我们需要进一步调查，以证明它实际上是水形成的。”

该团队采用了一种称为电子能量损失光谱的技术来分析气泡。通过检查散射电子的能量损失，研究人员确定了水特有的氧键特征，证实了气泡确实是水。然后，研究人员通过加热气泡来评估沸点来反复验证这一结果。

他说:“这是对月船一号月球车实验的纳米级模拟，月船一号月球车在月球土壤中寻找水的证据。”在勘测月球时，它使用光谱学来分析和识别大气和月球表面的分子。我们采用了类似的光谱方法来确定生成的产物是否确实是水。”

优化配方

在确认钯反应产生水之后，研究人员下一步试图优化这一过程。他们在不同的时间分别添加氢和氧，或者混合在一起，以确定哪种事件顺序产生水的速度最快。

Dravid, Liu和Koo发现先加入氢，然后加入氧，反应速度最快。因为氢原子非常小，它们可以挤在钯原子之间，导致金属膨胀。在向钯中填充氢气后，研究人员加入了氧气。

“氧原子在能量上有利于吸附在钯表面，但它们太大而无法进入晶格，”刘说。“当我们首先注入氧气时，它的解离原子覆盖了钯的整个表面，所以氢不能吸附在表面上触发反应。但是当我们先把氢储存在钯中，然后加入氧气，反应就开始了。氢从钯中出来与氧反应，钯收缩并恢复到初始状态。”

可持续的深空系统

西北大学的研究小组设想，在未来，其他人可能会在进入太空之前制备充满氢的钯。然后，为了产生饮用水或灌溉植物的水，旅行者只需要添加氧气。虽然这项研究的重点是在纳米尺度上研究气泡的产生，但更大的钯片会产生更多的水。

“钯可能看起来很贵，但它是可回收的，”刘说。“我们的流程不会消耗它。唯一被消耗的是气体，而氢是宇宙中最丰富的气体。反应完成后，我们可以反复使用钯平台。”