공기 중에서 물이 형성되는 것을 지켜보세요
연구자들은 최초로 실시간으로 분자 수준에서 수소와 산소 원자가 합쳐져 나노 크기의 작은 물거품이 형성되는 것을 목격했습니다.
이 사건은 과학자들이 희귀 금속 원소인 팔라듐이 기체 반응을 촉진하여 물을 생성하는 방식을 이해하려고 시도한 새로운 노스웨스턴 대학 연구의 일환으로 발생했습니다. 나노 스케일에서 반응을 목격함으로써 노스웨스턴 팀은 프로세스가 어떻게 발생하는지 밝혀냈고 심지어 이를 가속화하는 새로운 전략도 발견했습니다.
연구진은 이 반응이 극한의 조건을 필요로 하지 않기 때문에 다른 행성을 포함한 건조한 환경에서 빠르게 물을 생성하는 실용적인 솔루션으로 활용될 수 있다고 말했습니다.
해당 연구는 금요일(9월 27일) 미국 국립과학원 회보에 게재될 예정입니다.
"나노스케일 물 생성을 직접 시각화함으로써 주변 조건에서 빠른 물 생성을 위한 최적의 조건을 식별할 수 있었습니다." 연구의 수석 저자인 노스웨스턴의 비나야크 드라비드가 말했습니다. "이러한 발견은 극단적인 반응 조건이 필요 없이 가스와 금속 촉매를 사용하여 깊은 우주 환경에서 빠른 물 생성을 가능하게 하는 것과 같은 실용적인 응용 분야에 중요한 의미를 갖습니다.
"영화 '마션'에서 맷 데이먼의 캐릭터인 마크 와트니를 생각해보세요. 그는 로켓 연료를 태워 수소를 추출한 다음 산소 발생기에서 산소를 추가했습니다. 우리의 프로세스는 유사하지만 불과 다른 극한의 조건에 대한 필요성을 우회합니다. 우리는 단순히 팔라듐과 가스를 함께 섞었습니다."
Dravid는 Northwestern의 McCormick School of Engineering에서 재료 과학 및 공학의 Abraham Harris 교수이며, 연구가 수행된 Northwestern University Atomic and Nanoscale Characterization Experimental(NU ANCE ) Center의 창립 이사입니다. 그는 또한 International Institute for Nanotechnology에서 글로벌 이니셔티브의 이사입니다.
새로운 기술로 발견이 가능해졌습니다
1900년대 초부터 연구자들은 팔라듐이 물을 빠르게 생성하는 촉매 역할을 할 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 하지만 정확히 어떻게 이 반응이 일어나는지는 여전히 미스터리로 남아 있습니다.
"알려진 현상이지만, 완전히 이해된 적은 없습니다." 이 연구의 첫 번째 저자이자 Dravid 연구실의 박사 후보생인 Yukun Liu가 말했습니다. "반응에서 무슨 일이 일어나고 있는지, 그리고 어떻게 최적화할 것인지 알아내려면 물 생성의 직접적인 시각화와 원자 수준에서의 구조 분석을 결합할 수 있어야 하기 때문입니다."
하지만 원자 정밀도로 프로세스를 보는 것은 9개월 전까지는 단순히 불가능했습니다. 2024년 1월, Dravid의 팀은 가스 분자를 실시간으로 분석하는 새로운 방법을 공개했습니다. Dravid와 그의 팀은 가스 분자를 벌집 모양의 나노반응기 내에 고정하는 초박형 유리 막을 개발하여 고진공 투과 전자 현미경으로 볼 수 있도록 했습니다.
이전에 Science Advances에 게재된 새로운 기술을 통해 연구자들은 다른 최첨단 도구를 사용하는 경우 0.236나노미터 분해능에 비해 대기압 가스의 샘플을 단 0.102나노미터 분해능으로 검사할 수 있습니다. 이 기술은 또한 처음으로 동시 스펙트럼 및 상호 정보 분석을 가능하게 했습니다.
"초박막을 사용하면 샘플 자체에서 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다." Science Advances 논문의 첫 번째 저자이자 NU ANCE Center의 연구원인 Kunmo Koo는 말했습니다. 그는 Xiaobing Hu 연구원 교수의 지도를 받고 있습니다. "그렇지 않으면 두꺼운 용기의 정보가 분석에 방해가 됩니다."
지금까지 본 것 중 가장 작은 거품
새로운 기술을 사용하여 Dravid, Liu, Koo는 팔라듐 반응을 조사했습니다. 먼저, 그들은 수소 원자가 팔라듐에 들어가 정사각형 격자를 확장하는 것을 보았습니다. 하지만 팔라듐 표면에 작은 물 거품이 형성되는 것을 보았을 때, 연구원들은 눈을 믿을 수 없었습니다.
"우리는 그것이 직접 본 것 중 가장 작은 거품일 수 있다고 생각합니다." 류가 말했다. "우리가 기대했던 것은 아니었습니다. 다행히도 우리는 그것을 기록하고 있었기 때문에 다른 사람들에게 우리가 미쳤지 않다는 것을 증명할 수 있었습니다."
"우리는 회의적이었습니다." 쿠가 덧붙여 말했습니다. "우리는 그것이 실제로 물이 형성되었다는 것을 증명하기 위해 더 조사해야 했습니다."
이 팀은 전자 에너지 손실 분광법이라는 기술을 구현하여 거품을 분석했습니다. 연구자들은 산란된 전자의 에너지 손실을 조사하여 물에만 존재하는 산소 결합 특성을 확인하여 거품이 실제로 물임을 확인했습니다. 그런 다음 연구자들은 거품을 가열하여 끓는점을 평가하여 이 결과를 교차 확인했습니다.
"이것은 달 토양에서 물의 증거를 찾는 찬드라얀-1 달 탐사선 실험의 나노스케일 아날로그입니다." 쿠가 말했다. "달을 조사하는 동안, 그것은 분광학을 사용하여 대기와 표면의 분자를 분석하고 식별했습니다. 우리는 생성된 제품이 실제로 물인지 확인하기 위해 유사한 분광학적 접근 방식을 취했습니다."
최적화를 위한 레시피
팔라듐 반응에서 물이 생성되는 것을 확인한 후, 연구자들은 다음으로 공정을 최적화하고자 했습니다. 그들은 수소와 산소를 다른 시간에 따로 첨가하거나 함께 섞어서 어떤 순서의 사건이 가장 빠른 속도로 물을 생성하는지 알아냈습니다.
드라비드, 류, 쿠는 수소를 먼저 첨가한 다음 산소를 첨가하면 반응 속도가 가장 빠르다는 것을 발견했습니다. 수소 원자는 매우 작기 때문에 팔라듐 원자 사이로 끼어들어 금속이 팽창합니다. 연구자들은 팔라듐에 수소를 채운 후 산소 가스를 첨가했습니다.
"산소 원자는 팔라듐 표면에 흡착되기에 에너지적으로 유리하지만, 격자에 들어가기에는 너무 큽니다." 류는 말했다. "먼저 산소를 흘렸을 때, 분리된 원자가 팔라듐 표면 전체를 덮었기 때문에 수소는 표면에 흡착되어 반응을 유발할 수 없었습니다. 하지만 먼저 팔라듐에 수소를 저장한 다음 산소를 첨가했을 때 반응이 시작되었습니다. 수소는 팔라듐에서 나와 산소와 반응하고, 팔라듐은 수축하여 원래 상태로 돌아갑니다."
심우주를 위한 지속 가능한 시스템
노스웨스턴 팀은 미래에 다른 사람들이 우주로 여행하기 전에 수소로 채워진 팔라듐을 준비할 수 있을 것이라고 생각합니다. 그런 다음, 마실 물이나 식물에 물을 줄 물을 생성하기 위해 여행자들은 산소만 추가하면 됩니다. 이 연구는 나노스케일에서 거품 생성을 연구하는 데 초점을 맞추었지만, 더 큰 팔라듐 시트는 훨씬 더 많은 양의 물을 생성할 것입니다.
"팔라듐은 비싸 보일지 몰라도 재활용이 가능합니다." 류는 말했다. "저희 공정은 팔라듐을 소모하지 않습니다. 소모되는 것은 가스뿐이고, 수소는 우주에서 가장 풍부한 가스입니다. 반응 후, 팔라듐 플랫폼을 계속해서 재사용할 수 있습니다."
"현장 전자 현미경을 통해 팔라듐 표면의 흡착 제한 수소 산화 반응을 밝히다"라는 제목의 이 연구는 공군 과학 연구실(지원금 번호 AFOSR FA9550-22-1-0300)의 지원을 받았고, 미국 에너지부 과학국(지원금 번호 DE-SC0023450)의 지원을 받은 에너지 프런티어 연구 센터인 에너지 및 정보 과학 수소 센터에서 수소 관련 작업을 수행했습니다.
출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240930160507.htm
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