Впервые замечен «акробатический трюк» молекул воды перед их распадом

Ученые из Северо-Западного университета в США впервые в реальном времени наблюдали за молекулами воды в момент распада при электролизе — и сделали неожиданное открытие. Статья о нем вышла в журнале Science Advances.

Оказалось, что, прежде чем отдать электроны образующемуся кислороду, молекула вдруг переворачивается вверх тормашками. Такой «акробатический трюк» требует дополнительного расхода энергии, так что наблюдение может объяснить, почему расщепление воды в принципе настолько энергозатратно — больше, чем предполагают теоретические расчеты.

«Когда вы расщепляете воду, происходят две полуреакции: одна производит водород, а другая — кислород. Полуреакция, производящая кислород, очень сложна, потому что все должно быть идеально выстроено. В итоге она требует больше энергии, чем предполагают теоретические расчеты. Если посчитать, должно требоваться 1,23 вольта. Но на практике нужно около 1,5 или 1,6 вольта, — говорит профессор Франц Гейгер. — Это дополнительное напряжение стоит денег, и именно поэтому расщепление воды до сих пор не реализовано в больших масштабах. Мы считаем, что затраты на переворачивание молекул вносят значительный вклад в потребности в энергии. Разрабатывая новые катализаторы, которые облегчают переворачивание воды, мы могли бы сделать ее расщепление более практичным и экономически выгодным».

Иридий в деле

Со стороны электролиз протекает предельно просто: емкость с водой, через которую проходит ток. На одном электроде выделяется водород, на другом кислород. На деле же, как объяснил выше профессор, реакция выделения кислорода (РВК) может быть сложной и неэффективной. Наилучшие результаты получаются, когда электрод сделан из иридия — но это не самое подходящее решение.

«Иридий попадает на Землю только в результате метеоритных ударов, поэтому его количество ограничено. Он очень дорогой и точно не поможет решить энергетический кризис в ближайшее время, — сетует Гейгер. — Изучаются альтернативы, такие как никель и железо, и мы хотим найти способ сделать эти материалы столь же — если не больше — эффективными, чем иридий».

Разбираясь, чем одни катализаторы лучше других, ученые решили понаблюдать за РВК изнутри. Для этого они разработали сложную новую технику, позволяющую отслеживать взаимодействие молекул воды с металлическим электродом в реальном времени.

Наушники с шумоподавлением

Экспериментаторы налили воду в специальный контейнер, опустили туда электроды и включили ток. На поверхность электрода направили лазер и измерили интенсивность света на половине длины волны. Этот процесс, называемый генерацией второй гармоники, похож на прослушивание первого обертона камертона, когда по нему ударяют немного сильнее обычного. Используя несколько оптических компонентов — линзы, зеркала и кристаллы — исследователи смогли манипулировать лазерным лучом, чтобы получить больше информации.

«Наша техника — это оптический эквивалент наушников с шумоподавлением, — сравнивает ученый. — Мы можем контролировать конструктивную и деструктивную интерференцию — фазу фотонов — и, исходя из этого, точно определять, сколько молекул воды направлено к поверхности и сколько переориентировано, чтобы быть направленными от нее».

Оказалось, при подаче напряжения хаотично расположенные молекулы воды дружно переориентируются.

Молекулы воды похожи на упрощенный рисунок Микки-Мауса — с большим атомом кислорода в роли «головы» и двумя меньшими атомами водорода в качестве «ушей». Изначально водородные «уши» касались никелевого электрода. Но приложенное напряжение заставило молекулы перевернуться, так что «голова» из кислорода притянулась к электроду, готовая отдать свои электроны.

«Электрод заряжен отрицательно, поэтому молекула воды хочет направить к нему свои положительно заряженные атомы водорода. В этом положении передача электронов от атома кислорода воды к активному центру электрода блокируется. Когда электрическое поле становится достаточно сильным, оно заставляет молекулы перевернуться, так что атомы кислорода направлены к электроду. Тогда атомы водорода больше не мешают, и кислород отдает ему электроны», — описывает Гейгер.

Наблюдая за завораживающим процессом, исследователи смогли измерить, сколько молекул перевернулось и какая энергия на это ушла; установлено также, что переворот происходит непосредственно перед началом РВК — то есть это процесс неизбежный и обязательный; на его эффективность влияет pH: чем больше, тем лучше.

Тайны воды

Хотя исследование направлено на поиск лучших катализаторов, оно также проливает свет на загадочную природу воды.

«Наша работа показала, как мало мы знаем о воде на границах раздела. Классический пример — аномалия таяния. Когда вы замораживаете жидкость, она становится плотнее, то есть замороженное вещество должно опуститься на дно. Почти все жидкости ведут себя так. Но когда вода замерзает, ее плотность на самом деле уменьшается. Вот почему мы видим лед, плавающий на поверхности озера Мичиган. Вода — сложная штука, и наша новая технология помогает понять ее немного лучше», — заключил Франц Гейгер.