Twee waterstofatomen en een zuurstofatoom vormen samen het belangrijkste molecuul voor leven op aarde: water, oftewel H2O. Zo simpel als het klinkt, zo moeilijk is het om dit proces in realtime waar te nemen. Daar zijn onderzoekers nu toch in geslaagd met behulp van het bijzondere metaal palladium.
Het is voor het eerst gelukt om de vorming van een waterdruppel van dichtbij vast te leggen en op moleculaire schaal te bekijken. Onderzoeker Vinayak Dravid van de Northwestern University en zijn collega’s zagen hoe het kleinste belletje water ooit gezien, uit het niets leek te ontstaan.
Palladium
Daarvoor gebruikten ze een blokje palladium, een metaal dat bekendstaat om zijn vermogen om twee elementen te katalyseren om water te laten ontstaan.
“Stel je het personage van Matt Damon voor in de film The Martian“, zegt Dravid. “Hij verbrandde raketbrandstof om waterstof te winnen en voegde vervolgens zuurstof toe uit zijn zuurstofgenerator. Ons proces is vergelijkbaar, behalve dat we geen vuur of extreme omstandigheden nodig hebben. We mengden simpelweg palladium en verschillende gassen.”
Dat palladium in korte tijd aanzienlijke hoeveelheden water kan synthetiseren, was al bekend. Maar het is moeilijk om het proces te observeren op de piepkleine schaal waarop het gebeurt. “Je moet de directe visualisatie van de vorming van water en de structuuranalyse op atomaire schaal kunnen combineren om echt te begrijpen wat er gebeurt”, legt onderzoeker Yukun Liu van Northwestern University uit.
Op nanoschaal
Om dat te laten slagen, ontwikkelde het team een membraan dat moleculen vasthoudt in kleine, zeshoekige nanoreactorcellen. Zo konden ze het proces tot op de nanometer in beeld brengen. De onderzoekers voegden waterstof- en zuurstofatomen toe aan het oppervlak van een stukje palladium van 20 nanometer en gebruikten hun membraan om de daaropvolgende interactie vast te leggen.
Kijk hier hoe een waterdruppel ontstaat:
Een enkel watermolecuul is minder dan een derde van een nanometer groot. De atomen waaruit ze zijn opgebouwd zijn zelfs nog veel kleiner. Om de binding van deze atomen te kunnen zien, gebruikten de onderzoekers een speciale vorm van elektronenmicroscopie. Tot hun verbazing konden ze toen in real-time waarnemen hoe atomen zich verenigden om een kleine waterbel te vormen op het palladiumoppervlak.
“Wij denken dat dit misschien wel de kleinste waterdruppel is die ooit direct is waargenomen”, zei Liu. “We hadden dit helemaal niet verwacht. Gelukkig hebben we het opgenomen, zodat we aan anderen konden bewijzen dat we niet gek zijn.”
Twee stappen
Ze probeerden daarna het proces te stroomlijnen door de waterstof- en zuurstofgassen afzonderlijk toe te voegen. Zo ontdekten ze dat er twee stappen plaatsvinden. Eerst drukken de waterstofatomen zich in het oppervlak van het palladium en nestelen ze zich in het atomaire rooster, waardoor het oppervlak van het metaal opzwelt.
Als daarna zuurstof wordt toegevoegd, komt het waterstof uit het palladium en vermengt zich met de zuurstof om druppels water te vormen. Ondertussen gaat het palladium terug naar zijn oorspronkelijke, niet opgezwollen staat.
“Palladium lijkt misschien duur, maar het is recyclebaar”, zegt Liu. “Bij ons proces wordt het ook niet verbruikt. Het enige dat verbruikt wordt, is gas, en waterstof is het meest overvloedige gas in het universum. Na de reactie kunnen we het palladium keer op keer hergebruiken.”
Handig voor op Mars
Het is volgens de onderzoekers supereenvoudig en schaalbaar. Het enige dat je nodig hebt, is een groter stuk palladium. En dat maakt het interessant, want als er gerecyclede zuurstof en waterstof worden toegevoegd, zouden watermoleculen dan in grote hoeveelheden vanaf nul kunnen worden opgebouwd op de maan, op Mars, in een ruimtestation of tijdens een lange ruimtereis. Een groot stuk palladium kan zo een aanvulling zijn op de watervoorziening buiten de aarde waar water schaars is, ideaal voor als we nog eens een Marskolonie willen oprichten.
Palladium is een zacht zilverwit metaal. Chemisch gezien lijkt het op platina. Het heeft de bijzondere eigenschap dat het tot negenhonderd keer zijn eigen volume aan waterstof kan opnemen. Het is een goede katalysator, oftewel een stof die de snelheid van een chemische reactie beïnvloedt zonder zelf verbruikt te worden. En het wordt in die hoedanigheid gebruikt in de chemie, in voertuigen en bij het opwerken van petroleum in raffinaderijen.
