Por primera vez, los investigadores han presenciado, en tiempo real y a escala molecular, cómo los átomos de hidrógeno y oxígeno se fusionan para formar pequeñas burbujas de agua de tamaño nanométrico.
El evento ocurrió como parte de un nuevo estudio de la Universidad Northwestern, durante el cual los científicos buscaron comprender cómo el paladio, un elemento metálico raro, cataliza la reacción gaseosa para generar agua. Al presenciar la reacción a nanoescala, el equipo de Northwestern descubrió cómo ocurre el proceso e incluso descubrió nuevas estrategias para acelerarlo.
Dado que la reacción no requiere condiciones extremas, los investigadores dicen que podría aprovecharse como una solución práctica para generar agua rápidamente en ambientes áridos, incluso en otros planetas.
La investigación se publicará el viernes (27 de septiembre) en la Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
«Al visualizar directamente la generación de agua a nanoescala, pudimos identificar las condiciones óptimas para una generación rápida de agua en condiciones ambientales», dijo Vinayak Dravid de Northwestern, autor principal del estudio. «Estos hallazgos tienen implicaciones significativas para aplicaciones prácticas, como permitir la generación rápida de agua en entornos del espacio profundo utilizando gases y catalizadores metálicos, sin requerir condiciones de reacción extremas.
«Piense en el personaje de Matt Damon, Mark Watney, en la película 'The Martian'. Quemó combustible para cohetes para extraer hidrógeno y luego añadió oxígeno de su oxigenador. Nuestro proceso es análogo, excepto que evitamos la necesidad de fuego y otras condiciones extremas. Simplemente mezclamos paladio y gases».
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 de la Universidad Northwestern (NUANCE) Centro, donde se realizó el estudio. También es director de iniciativas globales en el Instituto Internacional de Nanotecnología.
Descubrimiento permitido por nuevas tecnologías
Desde principios del siglo XX, los investigadores saben que el paladio puede actuar como catalizador para generar agua rápidamente. Pero cómo se produce exactamente esta reacción sigue siendo un misterio.
«Es un fenómeno conocido, pero nunca se entendió completamente», dijo Yukun Liu, primer autor del estudio y Ph.D. candidato en el laboratorio de Dravid. «Porque realmente es necesario poder combinar la visualización directa de la generación de agua y el análisis de la estructura a escala atómica para poder descubrir qué sucede con la reacción y cómo optimizarla».
Pero observar el proceso con precisión atómica era simplemente 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 desarrollaron una membrana vítrea ultrafina que contiene moléculas de gas dentro de nanorreactores en forma de panal, para que puedan observarse en microscopios electrónicos de transmisión de alto vacío.
Con la nueva técnica, publicada anteriormente en Science Advances, los investigadores pueden examinar muestras en gas a presión atmosférica con una resolución de sólo 0,102 nanómetros, en comparación con una resolución de 0,236 nanómetros utilizando otras herramientas de última generación. La técnica también permitió, por primera vez, el análisis de información espectral y recíproca concurrente.
«Al utilizar la membrana ultrafina, obtenemos más información de la propia muestra», dijo Kunmo Koo, primer autor del artículo Science Advances e investigador asociado en la NU.ANCE Center, donde cuenta con la tutoría del profesor asociado de investigación Xiaobing Hu. «De lo contrario, la información del grueso contenedor interfiere en el análisis».
La burbuja más pequeña jamás vista
Utilizando la nueva tecnología, Dravid, Liu y Koo examinaron la reacción del paladio. Primero, vieron cómo los átomos de hidrógeno entraban 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 podría ser la burbuja más pequeña jamás formada que haya sido vista directamente», dijo Liu. «No es lo que esperábamos. Por suerte, lo estábamos grabando para poder demostrarle a otras personas que no estábamos locos».
«Éramos escépticos», añadió Koo. «Necesitábamos investigarlo más a fondo para demostrar que en realidad fue agua la que se formó».
El equipo implementó 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 características de enlace 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.
«Es un análogo a nanoescala del experimento del vehículo lunar Chandrayaan-1, que buscaba evidencia de agua en el suelo lunar», dijo Koo. «Mientras inspeccionaba la luna, utilizó espectroscopía para analizar e identificar moléculas dentro de la atmósfera y en la superficie. Adoptamos un enfoque espectroscópico similar para determinar si el producto generado era, efectivamente, agua».
Receta de optimización
Después de confirmar que la reacción del paladio generó agua, los investigadores buscaron optimizar el proceso. Agregaron hidrógeno y oxígeno por separado en diferentes momentos o se mezclaron para determinar qué secuencia de eventos generó agua al ritmo más rápido.
Dravid, Liu y Koo descubrieron que agregar primero hidrógeno, seguido de oxígeno, conducía a la velocidad de reacción más rápida. 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 superficies de paladio, pero son demasiado grandes para entrar en la red», dijo Liu. «Cuando primero hicimos fluir oxígeno, sus átomos disociados cubrieron toda la superficie del paladio, por lo que el hidrógeno no pudo adsorberse en la superficie para desencadenar la reacción. Pero cuando primero almacenamos hidrógeno en el paladio y luego agregamos oxígeno, la reacción comenzó. El hidrógeno sale del paladio para reaccionar con el oxígeno, y el paladio se encoge y vuelve a su estado inicial».
Sistema sostenible para el espacio profundo
El equipo de Northwestern imagina que otros, en el futuro, podrían preparar paladio lleno de hidrógeno antes de viajar al espacio. Luego, para generar agua para beber o para regar las plantas, los viajeros sólo necesitarán añadir oxígeno. Aunque el estudio se centró en estudiar la generación de burbujas a nanoescala, láminas de paladio más grandes generarían cantidades mucho mayores de agua.
«El paladio puede parecer caro, pero es reciclable», afirmó Liu. «Nuestro proceso no lo consume. Lo único que se consume es gas, y el hidrógeno es el gas más abundante en el universo. Después de la reacción, podemos reutilizar la plataforma de paladio una y otra vez».
El estudio, «Desentrañar la reacción de oxidación de hidrógeno limitada por adsorción en la superficie de paladio mediante microscopía electrónica in situ», fue apoyado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (número de subvención AFOSR FA9550-22-1-0300) y el trabajo relacionado con el hidrógeno de el Centro de Hidrógeno en Ciencias de la Energía y 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).
