เฝ้าดูหยดน้ำขนาดนาโนก่อตัว
เป็นครั้งแรกที่นักวิจัยได้เฝ้าดูอะตอมไฮโดรเจนและออกซิเจนรวมตัวกันในเวลาจริงและในระดับโมเลกุล ก่อตัวเป็นหยดน้ำขนาดนาโนเมตร
เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในระหว่างการศึกษาใหม่ของมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น เผยแพร่ใน Proceedings of the National Academy of Sciences ในระหว่างที่นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะเข้าใจว่า พัลลาเดียม(palladium) ธาตุโลหะหายากซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา(catalyst) จากก๊าซเพื่อสร้างน้ำ ได้อย่างไร ด้วยการเฝ้าดูปฏิกิริยาเกิดขึ้นในระดับนาโนเมตร ทีมได้เผยให้เห็นว่ากระบวนการเกิดขึ้นได้อย่างไร และแม้กระทั่งได้พบกลวิธีใหม่ในการเร่งกระบวนการ
เนื่องจากปฏิกิริยานี้ไม่ต้องใช้สภาวะที่สุดยอด นักวิจัยบอกว่ามันน่าจะถูกใช้เป็นทางออกในทางปฏิบัติเพื่อผลิตน้ำอย่างรวดเร็วในสภาพแวดล้อมที่แห้งแล้ง ซึ่งรวมถึงบนดาวเคราะห์ดวงอื่น
ด้วยการเฝ้าดูการสร้างน้ำในระดับนาโนสเกลกับตา เราก็สามารถจำแนกสภาวะที่เหมาะสมในการผลิตน้ำอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะแวดล้อม Vinayak Dravid ผู้เขียนอาวุโสจากนอร์ธเวสเทิร์น กล่าว การค้นพบเหล่านี้ส่งนัยยะที่สำคัญต่อการปรับใช้ในทางปฏิบัติ เช่น การผลิตน้ำอย่างรวดเร็วในสภาพแวดล้อมอวกาศห้วงลึก โดยใช้ก๊าซและโลหะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา โดยไม่ต้องใช้สภาวะปฏิกริยาแบบสุดขั้ว
ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แสดงหยดน้ำขนาดนาโนก่อตัวขึ้นรอบๆ ชิ้นพัลลาเดียม มันมีความกว้างราว 50 นาโนเมตร
ลองนึกถึงที่ Mark Watney ในภาพยนตร์ The Martian ทำ เขาเผาเชื้อเพลิงจรวด(ไฮดราซีน) เพื่อสกัดไฮโดรเจนและหลังจากนั้น ก็ค่อยๆ เติมออกซิเจนจากเครื่องผลิตออกซิเจน(oxygenator) กระบวนการของเราก็คล้ายๆ กันยกเว้นแต่ว่าเราข้ามการใช้ไฟและสภาวะสุดขั้วอื่นๆ เราแค่ใช้พัลลาเดียมกับก๊าซไว้ด้วยกัน
Dravid ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์วัสดุ นอร์ธเวสเทิร์น และเป็นผู้อำนวยการผู้ก่อตั้งศูนย์ NUANCE(Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental) ซึ่งทำการศึกษางานนี้ และเขายังเป็นผู้อำนวยการสถาบันนานาชาติเพื่อนาโนเทคโนโลจี ด้วย
นับตั้งแต่ช่วงต้นศตวรรษที่ 19 นักวิจัยก็ทราบว่าพัลลาเดียมสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อผลิตน้ำอย่างรวดเร็ว แต่ปฏิกิริยาเกิดได้อย่างไรกันแน่ก็ยังคงเป็นปริศนา เป็นปรากฏการณ์ที่เราทราบกันดี แต่ไม่เคยเป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ Yukun Liu ผู้เขียนคนแรกในการศึกษา และว่าที่ดอกเตอร์ที่ห้องทดลองของ Dravid กล่าว เนื่องจากคุณต้องสามารถรวมการได้เห็นน้ำเกิดขึ้นโดยตรง กับการวิเคราะห์โครงสร้างในระดับอะตอม เพื่อที่จะระบุได้ว่าเกิดอะไรขึ้นในปฏิกิริยาและจะปรับให้ดีที่สุดได้อย่างไร
Credit: chegg.com
ด้วยการได้เห็นกระบวนการเกิดขึ้นในระดับอะตอมั้นเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้เลย กระทั่งเมื่อเก้าเดือนที่แล้ว ในเดือนมกราคม 2024 ทีมของ Dravid ได้เผยวิธีการอันล้ำสมัยในการวิเคราะห์โมเลกุลก๊าซตามเวลาจริง Dravid และทีมได้พัฒนาเยื่อบาง(membrane) จากแก้วที่บางมากๆ ซึ่งเก็บกักโมเลกุลก๊าซภายในปฏิกรณ์ขนาดนาโนซึ่งมีรูปร่างเหมือนรวงผึ้ง ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถศึกษาพวกมันภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนแบบส่องผ่านที่เป็นสูญญากาศได้
ด้วยเทคนิคใหม่ที่เคยเผยแพร่ใน Science Advances นักวิจัยก็สามารถตรวจสอบตัวอย่างในก๊าซด้วยความละเอียดในระดับเพียง 0.102 นาโนเมตรได้ เทียบกับความละเอียดระดับ 0.236 นาโนเมตรที่ใช้เครื่องมืออื่น เทคนิคนี้จึงช่วยให้วิเคราะห์สเปคตรัมและข้อมูลไปพร้อมๆ กันได้เป็นครั้งแรก
ด้วยการใช้เมมเบรนที่บางมากๆ เราก็ได้ข้อมูลจากตัวอย่างมากขึ้น Kunmo Koo ผู้เขียนคนแรกในรายงานที่ Science Advances และผู้ช่วยที่ NUANCE Center กล่าว ไม่เช่นนั้น ข้อมูลจากภาชนะบรรจุที่หนาเกินจะรบกวนการวิเคราะห์ได้
ด้วยการใช้เทคโนโลจีใหม่ Dravid, Liu และ Koo ตรวจสอบปฏิกิริยาบนพัลลาเดียม ในตอนแรก พวกเขามองเห็นอะตอมไฮโดรเจนเข้ามาที่พัลลาเดียม ขยายโครงร่างผลึกสี่เหลี่ยมของพัลลาเดียมออก แต่เมื่อพวกเขาได้เห็นฟองของน้ำขนาดจิ๋วก่อตัวขึ้นในพื้นผิวพัลลาเดียม นักวิจัยก็แทบไม่เชื่อสายตา เราคิดว่ามันอาจเป็นฟองของน้ำที่เล็กที่สุดเท่าที่เคยได้เห็นโดยตรงมา Liu กล่าว มันไม่ใช่สิ่งที่เราคาดไว้เลย โชคดีที่เรากำลังบันทึกภาพไว้ ดังนั้นจึงพิสูจน์ให้คนอื่นได้เห็นว่าเราไม่ได้บ้า
Koo กล่าวเสริมว่า เราก็อึ้งไปเลย เราอยากจะศึกษามันต่อว่ามีน้ำก่อตัวขึ้นจริงๆ ทีมใช้เทคนิคที่เรียกว่า การตรวจสอบสเปคตรัมอิเลคตรอนสูญเสียพลังงาน(electron energy loss spectroscopy) เพื่อวิเคราะห์ฟองน้ำนี้ ด้วยการตรวจสอบพลังงานที่สูญเสียจากอิเลคตรอนที่กระเจิงออก นักวิจัยจำแนกพันธะของออกซิเจนที่เป็นคุณลักษณะเฉพาะของน้ำ ยืนยันว่าฟองที่พบเป็นน้ำจริงๆ จากนั้น นักวิจัยก็ตรวจทานผลนี้โดยการให้ความร้อนกับฟองนี้ เพื่อประเมินจุดเดือด
ก็เป็นเหตุการณ์ในระดับนาโนสเกลที่คล้ายกับที่เกิดในชุดทดลองบนโรเวอร์จันทรายาน 1(Chadrayaan 1) ซึ่งสำรวจหาหลักฐานของน้ำในดินฝุ่นดวงจันทร์ Koo กล่าว ในขณะที่สำรวจดวงจันทร์ จันทรายาใช้การตรวจสอบสเปคตรัมเพื่อวิเคราะห์และจำแนกโมเลกุลภายในชั้นบรรยากาศและบนพื้นผิว เราก็ใช้การตรวจสอบสเปคตรัมแบบเดียวกันเพื่อตรวจสอบว่าผลผลิตที่เกิดขึ้นเป็นน้ำจริงหรือไม่
หลังจากยืนยันปฏิกิริยาบนพัลลาเดียมได้สร้างน้ำขึ้นมา ก้าวต่อไปก็คือนักวิจัยพยายามปรับแต่งกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด พวกเขาเติมไฮโดรเจนและออกซิเจนทีละชนิดในช่วงเวลาที่ต่างกัน หรือผสมพวกมันเข้าด้วยกันเพื่อดูว่า เหตุการณ์แบบใดจะผลิตน้ำด้วยอัตราที่เร็วที่สุด ทีมพบว่า ถ้าเติมไฮโดรเจนเข้าไปก่อน ตามด้วยออกซิเจน จะนำไปสู่อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เร็วที่สุด
เนื่องจากอะตอมไฮโดรเจนมีขนาดที่เล็กมากๆ พวกมันจึงถูกบีบอัดระหว่างอะตอมของพัลลาเดียมได้ เป็นเหตุให้โลหะขยายตัว หลังจากใส่ไฮโดรเจนให้กับพัลลาเดียม นักวิจัยก็ค่อยเติมก๊าซออกซิเจน อะตอมออกซิเจนถูกดูดกลืนเข้าสู่พื้นผิวพัลลาเดียมได้อย่างดี แต่พวกมันก็ยังใหญ่เกินกว่าจะแทรกเข้าไปในโครงผลึก Liu กล่าว
credit : NorthwesternU
เมื่อเราปล่อยออกซิเจนเข้าไป อะตอมออกซิเจนจะปกคลุมบนพื้นผิวพัลลาเดียม ดังนั้นไฮโดรเจนก็ไม่ถูกดูดซับบนพื้นผิวเพื่อเหนี่ยวนำปฏิกิริยาได้ แต่ถ้าเราใส่ไฮโดรเจนให้พัลลาเดียมก่อน แล้วค่อยเติมออกซิเจน ปฏิกิริยาจะเริ่มต้น ไฮโดรเจนจะออกจากพัลลาเดียมมาทำปฏิกิริยากับออกซิเจน และพัลลาเดียมหดตัวลงและกลับเข้าสู่สถานะเริ่มต้น
ทีมนอร์ธเวสเทิร์นจินตนาการว่า ในอนาคต ก็อาจมีการใช้พัลลาเดียมที่เติมไฮโดรเจนก่อนที่จะออกเดินทางสู่อวกาศ จากนั้น เพื่อสร้างน้ำดื่มหรือเพื่อรดน้ำต้นไม้ นักเดินทางก็เพียงแต่เติมออกซิเจนเข้าไป แม้ว่าการศึกษานี้จะมุ่งเป้าไปที่การศึกษาการสร้างฟองในระดับนาโนสเกล แต่พัลลาเดียมที่มีชิ้นใหญ่กว่าขึ้นก็น่าจะสร้างน้ำได้ในปริมาณมากขึ้น
Liu กล่าวว่า พัลลาเดียมอาจจะดูมีราคาแพงและหาได้ยาก แต่ส่วนใหญ่ก็เพราะมันถูกใช้เพื่อตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ อีกมากมายและใช้ในเทคโนโลจีที่หลากหลาย แต่ก็สามารถรีไซเคิลมาใช้ซ้ำได้ กระบวนการของเราจึงไม่สูญเปล่า ก๊าซเป็นสิ่งเดียวที่สูญ และไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่พบได้มากที่สุดในเอกภพ หลังจากเกิดปฏิกิริยาแล้ว เราก็รียูซแท่นพัลลาเดียมมาใช้ซ้ำๆ ได้อีก
แหล่งข่าว scitechdaily.com – for the first time ever: watch water form out of thin air
livescience.com – watch atoms fuse into world’s “smallest bubble” of water in 1st-of-its-kind “nanoscale” video
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
