Droga do wydajnego pozyskiwania wodoru została otwarta

Aby technologia wydajnego pozyskiwania wodoru stała się rzeczywistością – od generowania wodoru poprzez elektrolizę do chemicznych ogniw paliwowych nowej generacji – naukowcy muszą dokładnie się dowiedzieć, jak poszczególne atomy wodoru przemieszczają się w wodzie.

Obojętna elektrycznie cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru połączonych z jednym atomem tlenu, lecz jej wygięty kształt sprawia, że jest spolaryzowana, czyli ma dwa bieguny niczym magnes. Gdybyśmy powiększyli szklankę wody, zobaczylibyśmy biliony takich cząsteczek oraz pewną liczbę pojedynczych atomów wodoru, które utraciły swój elektron (innymi słowy, samych protonów). Przez 200 lat badacze stawiali tezę, że protony te przeskakują z jednej cząsteczki wody do drugiej, przyczepiając się do najbliższej cząsteczki i wyrzucając jeden ze związanych z nią protonów, który z kolei wiąże się z sąsiednią cząsteczką. Teraz zespół naukowców z Pekinu po raz pierwszy uzyskał obrazy takich cząsteczek, co pomogło wyjaśnić, jak faktycznie zachodzą te przeskoki.

Modele przewidywały, że proces ten najczęściej przebiega na dwa sposoby. Pierwszy z nich polega na tym, że proton wiąże się bezpośrednio z pojedynczą cząsteczką wody, zmieniając ją z cząsteczki obojętnej w jon dodatni. Trzy otaczające ją obojętne cząsteczki wody ustawiają się wówczas tak, że ich bieguny ujemne stabilizują ten ładunek. W drugim przypadku dodatkowy proton znajduje się pomiędzy ujemnymi biegunami dwóch obojętnych cząsteczek wody, tak że oddziaływanie ładunku dodatniego rozkłada się równomiernie na każdą z nich.

Naukowcy byli w stanie potwierdzić występowanie tych orientacji dzięki mikroskopii sił atomowych – technice, która generuje obrazy poprzez śledzenie nanoskopowego ostrza specjalnej igły przesuwającego się po nierównościach powierzchni próbki. Korzystając z tego instrumentu, Jing Guo, chemiczka z Beijing Normal University, i jej współpracownicy zobrazowali na poziomie molekularnym strukturę wody zamrożonej na metalowym podłożu i pokazali, jak została ona zmieniona przez nadmiarowe protony. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie „Science”.

Niewiarygodnie czułe pomiary pozwoliły rozróżnić dwie konfiguracje wody: „Usytuowanie protonów wzdłuż wiązania wodorowego różniło się w nich zaledwie o około 20 pikometrów – mówi Guo – mniej niż połowę średnicy samego atomu wodoru. – Jesteśmy bardzo, bardzo podekscytowani tym, że po długich zmaganiach zobaczyliśmy, jak to wygląda”.

Badacze ustalili, że te dwie konfiguracje występowały z różną częstością i w różnych proporcjach, w zależności od rodzaju metalu, na którym zamrożono wodę. Użyli również elektryczności, aby zmusić wodę do przechodzenia pomiędzy jednym i drugim ustawieniem. „To doprawdy zdumiewające, że udało się [bezpośrednio] zaobserwować coś takiego – mówi Thomas Kuhn, chemik teoretyczny z Universität Paderborn w Niemczech, który nie był zaangażowany w te badania. – Otwiera to drogę do badania mechanizmów leżących u podstaw [wytwarzania wodoru]. I niewykluczone, że wyniknie z tego dużo dobrego”.