Por primera vez, los investigadores han observado, en tiempo real y a escala molecular, que los átomos de hidrógeno y oxígeno se combinan para formar pequeñas burbujas de agua de tamaño nanométrico.
El incidente ocurrió como parte de un nuevo estudio de la Universidad Northwestern, durante el cual los científicos intentaron comprender cómo el paladio, un elemento metálico raro, cataliza una reacción gaseosa para producir agua. Al presenciar la reacción a nanoescala, el equipo de Northwestern descubrió cómo ocurre el proceso e incluso descubrió nuevas técnicas para acelerarlo.
Como la reacción no requiere condiciones extremas, los investigadores dicen que podría usarse como una solución práctica para producir rápidamente agua en ambientes áridos, incluso en otros planetas.
El estudio se publicará el viernes (27 de septiembre). Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
“Al visualizar directamente la producción de agua a nanoescala, pudimos identificar las condiciones óptimas para una producción rápida de agua en condiciones ambientales”, dijo Vinayak Dravid de Northwestern, autor principal del estudio. “Estos resultados tienen implicaciones significativas para aplicaciones prácticas, como permitir la producción rápida de agua en entornos del espacio profundo utilizando catalizadores de gas y metal sin la necesidad de condiciones de reacción extremas.
“Piensa en el personaje de Matt Damon, Mark Watney, en The Martian”. Agrega oxígeno a partir del hidrógeno quemando combustible para cohetes. Nuestro proceso es similar, simplemente mezclamos paladio y gas”.
Dravid es profesor Abraham Harris de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern y director fundador del Experimental de caracterización atómica y a nanoescala (NU) de la Universidad Northwestern.ance) centro donde se realizó la encuesta. También es Director de Iniciativas Globales del Instituto Internacional de Nanotecnología.
Invenciones habilitadas por nuevas tecnologías
A principios del siglo XX, los investigadores sabían que el paladio podía actuar como catalizador para producir agua rápidamente. Pero exactamente cómo se produce esta reacción sigue siendo un misterio.
“Este es un fenómeno conocido, pero nunca se ha entendido completamente”, dijo Yukun Liu, primer autor del estudio y Ph.D. Candidato en el Laboratorio Dravidiano. “Porque realmente es necesario poder combinar la visualización directa de la producción de agua y el análisis de la estructura a escala atómica para determinar qué sucede con la reacción y cómo optimizarla”.
Pero observar el proceso con precisión atómica era sencillamente imposible… hasta hace nueve meses. En enero de 2024, el equipo de Dravid dio a conocer un método novedoso para analizar moléculas de gas en tiempo real. Dravid y su equipo crearon una membrana de vidrio ultrafina que contiene moléculas de gas dentro de nanoactores en forma de panal, lo que permite observarlas bajo un microscopio electrónico de transmisión de alto vacío.
Con la nueva técnica, publicada anteriormente en Science Advances, los investigadores pueden examinar muestras de gas a presión atmosférica con una resolución de sólo 0,102 nanómetros, en comparación con la resolución de 0,236 nanómetros que utilizan otros equipos de última generación. La técnica también permitió, por primera vez, el análisis simultáneo de datos espectrales y de correlación.
“Al utilizar membranas ultrafinas, obtenemos más información de la propia muestra”, dijo Kunmo Ku, primer autor del artículo Science Advances e investigador asociado en NU.ance Center, donde cuenta con la tutoría del profesor asociado de investigación Xiaobing Hu. “De lo contrario, los datos del grueso contenedor interfieren en el análisis”.
La burbuja más pequeña jamás vista
Utilizando la nueva tecnología, Dravid, Liu y Ku probaron la reacción del paladio. Primero, descubrieron que los átomos de hidrógeno penetraron en el paladio, expandiendo su red cuadrada. Pero cuando vieron que se formaban pequeñas burbujas de agua en la superficie del paladio, los investigadores no podían creer lo que veían.
“Creemos que esta puede ser la burbuja más pequeña jamás formada que se haya observado directamente”, dijo Liu. “No es lo que esperábamos. Por suerte, lo estábamos grabando para poder demostrarle a otras personas que no estamos locos”.
“Éramos escépticos”, añadió Ku. “Necesitamos investigar más para demostrar que en realidad estaba hecho de agua”.
El equipo aplicó una técnica llamada espectroscopia de pérdida de energía electrónica para analizar las burbujas. Al examinar la pérdida de energía de los electrones dispersos, los investigadores identificaron propiedades de unión de oxígeno exclusivas del agua, confirmando que las burbujas eran efectivamente agua. Luego, los investigadores verificaron este resultado calentando la burbuja para evaluar el punto de ebullición.
“Este es un análogo a nanoescala del experimento del vehículo lunar Chandrayaan-1, que buscaba evidencia de agua en el suelo lunar”, dijo Ku. “Mientras inspeccionaba la Luna, utilizó espectroscopía para analizar y detectar moléculas en la atmósfera y en la superficie. Adoptamos un enfoque espectroscópico similar para determinar que el subproducto era, de hecho, agua”.
Receta de optimización
Después de confirmar el agua producida por la reacción del paladio, los investigadores intentaron optimizar el proceso. Agregaron hidrógeno y oxígeno por separado o los mezclaron en diferentes momentos para determinar qué secuencia de eventos producía agua al ritmo más rápido.
Dravid, Liu y Ku descubrieron que agregar hidrógeno primero, seguido de oxígeno, conducía a velocidades de reacción más rápidas. Debido a que los átomos de hidrógeno son tan pequeños, pueden apretarse entre los átomos de paladio, provocando que el metal se expanda. Después de llenar el paladio con hidrógeno, los investigadores agregaron oxígeno gaseoso.
“Los átomos de oxígeno son energéticamente favorables para adsorberse en la superficie del paladio, pero son demasiado grandes para entrar en la red”, dijo Liu. “Cuando ingresamos oxígeno por primera vez, sus átomos aislados cubren toda la superficie del paladio, por lo que el hidrógeno no puede adsorberse en la superficie para desencadenar la reacción. Pero cuando almacenamos hidrógeno por primera vez en el paladio y luego agregamos oxígeno, la reacción comienza. Hidrógeno escapa del paladio para reaccionar con el oxígeno, y el paladio vuelve a su estado original”.
Sistemas sostenibles para el espacio profundo
El equipo de Northwestern prevé que otros, en el futuro, podrían preparar paladio lleno de hidrógeno antes de viajar al espacio. Luego, para producir agua para beber o regar las plantas, los viajeros sólo necesitan añadir oxígeno. Aunque la investigación se centró en estudiar la formación de burbujas a nanoescala, láminas de paladio más grandes producirían cantidades mucho mayores de agua.
“El paladio puede parecer caro, pero es reciclable”, afirmó Liu. “Nuestro proceso no lo consume. Lo único que consume es gas, y el hidrógeno es el gas más abundante en el universo. Después de la reacción, podemos utilizar la plataforma de paladio una y otra vez”.
La investigación, “Descubriendo la reacción de oxidación de hidrógeno limitada por adsorción en superficies de paladio, mediante microscopía electrónica in situ”, contó con el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (número de subvención AFOSR FA9550-22-1-0300) y trabajos relacionados con el hidrógeno. . El Centro de Hidrógeno en Energía y Ciencias de la Información, un Centro de Investigación de la Frontera Energética financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (número de subvención DE-SC0023450).