يعمل البحث الجديد على تحسين فهمنا للكيمياء المطلوبة لإنتاج وقود الهيدروجين من الماء
ساعدت ذرات الأكسجين المفردة "الراقصة" فوق سطح أكسيد المعدن الكيميائيين على فهم كيفية فصل الماء إلى ذرات الهيدروجين والأكسجين. وفي هذه العملية، تمكن العلماء من وصف تفاعل كيميائي كان في السابق نظريًا فقط. يعمل البحث الجديد على تحسين فهمنا للكيمياء المطلوبة لإنتاج وقود الهيدروجين من الماء.
وتوصل العلماء إلى هذا الاكتشاف أثناء محاولتهم تحديد القواعد الأساسية التي يقوم من خلالها ثاني أكسيد التيتانيوم - وهو مركب يوجد أحيانًا في كريم تسمير البشرة - بتفكيك الماء إلى مكوناته الذرية. تعتبر التفاعلات الكيميائية بين الماء والأكسجين أساسية لعمليات متنوعة مثل: إنتاج الهيدروجين، وتحلل الملوثات، والطاقة الشمسية.
وقال الفيزيائي إيجور ليوبينتسكي من قسم الطاقة في مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني، الذي نشر نتائج فريق البحث في المجلة العلمية Physical Review Letters: "الأكسجين والماء يشاركان في العديد من العمليات". "هذا التنقل قد يعيق بعض الاستجابات ويساعد الآخرين."
أثناء فحص انشطار الماء إلى أكسجين وهيدروجين باستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم، يمكن للباحثين استخدام طريقة تسمى "المجهر النفقي الماسح (STM، وهو مجهر يمكن فحص الأسطح به على المستوى الذري) لمراقبة التفاعل الكيميائي. يشبه سطح ثاني أكسيد التيتانيوم حقل الذرة: صف من ذرات الأكسجين يخرج من صف من ذرات التيتانيوم. صفوف الأوكسجين والتيتانيوم التي تظهر في الغرز تشبه نوعاً من الشرائط.
ويستطيع العلماء أيضًا رؤية ذرات معينة "تتوقف" على السطح كنقاط مضيئة. مثل هذه الذرة المرئية هي ذرة أكسجين واحدة تقع على ذرة تيتانيوم، وتسمى "adatom" (ذرة تقع على سطح بلوري، اختصار لمصطلح "الذرة الممتزة"). لا يتمكن الكيميائيون من تمييز قطرات الماء إلا إذا كانت درجة حرارتها منخفضة للغاية.
وفي الدراسة الحالية، قام العلماء بفحص تفاعلات الماء مع ثاني أكسيد التيتانيوم في درجات الحرارة العادية. لقد بدأوا بسطح مغطى ببضع ذرات أكسجين ممتزة، ثم أضافوا الماء، ثم بدأت ذرات الأكسجين في "الرقص".
وقال الباحث: "فجأة، بدأت كل هذه الذرات تقريبًا تتحرك ذهابًا وإيابًا على طول صف التيتانيوم". والمثير للدهشة أن هذه الذرات لم تنزلق لأعلى ولأسفل عبر الشرائط فحسب، بل ارتدت أيضًا من ذرات التيتانيوم وهبطت بجوارها، كما لو كانت في رقصة جامحة.
"لقد رأينا أشياء غير متوقعة على الإطلاق. لقد اعتقدنا أن الأمر غريب للغاية، فقد رأينا ذرات ممتزة تقفز ببساطة من ذرة تيتانيوم إلى أخرى". "لم نتمكن من شرح ذلك."
عند حساب كمية الطاقة التي تحتاجها هذه الذرات للتحرك من تلقاء نفسها، والقفز من ذرة تيتانيوم إلى أخرى، اشتبه الكيميائيون في أن هذه الذرات حصلت على مساعدة إضافية - ربما من جزيئات الماء غير المراقبة.
ولشرح هذه الظاهرة، قام الفريق بحساب الطاقة اللازمة لدفع هذه الذرات السائبة بمساعدة جزيئات الماء. إذا تم وضع جزيء ماء بالقرب من ذرة أكسجين ممتزة، فإن إحدى ذرات الهيدروجين الموجودة في الماء تكون قادرة على القفز إليها وبالتالي تكوين زوجين من الأكسجين والهيدروجين. تُعرف هذه الأزواج بمجموعات الهيدروكسيل وتميل إلى "سرقة" الذرات من الذرات الأخرى، بما في ذلك بعضها البعض. وتستطيع إحدى هذه المجموعات سرقة ذرة هيدروجين من مجموعة مماثلة مجاورة وتصبح جزيء ماء مرة أخرى. وينفصل عنها هذا الماء ويترك وراءه ذرة ممتزة.
قرر الكيميائيون أن الماء قادر على مساعدة مثل هذه الذرة على القفز بين الصفوف أيضًا: إذا كانت ذرة ماء وذرة ممتصة موجودة على جانبي صف الأكسجين، فيمكن أن يعمل هذا الأكسجين كوسيط في نقل ذرة هيدروجين واحدة من ذرة الماء إلى الذرة الممتزة الأخرى . مرة أخرى، يتم تشكيل مجموعتين من الهيدروكسيل، إحداهما، في النهاية، "تسرق" ذرتي الهيدروجين (بمساعدة الوسيط) وتبتعد عن السطح.
تتناسب الطاقات المحسوبة لهذين السيناريوهين المختلفين بشكل أفضل مع البيانات التجريبية للباحثين. عندما يتم استخدام صف من الأكسجين كوسيط، تسمى العملية "التفكك الزائف"، وهو تفاعل اقترحه الكيميائيون ولكن لم يتم تأكيده تجريبيًا حتى الآن.
يوضح الباحث: "لقد أدركنا أنه فقط إذا أدرجنا في حساباتنا هذا الوضع المتمثل في محاكاة فصل الماء، فيمكننا تفسير الظاهرة برمتها". "وإلا فإن جميع الحسابات تظهر أن هناك حاجز طاقة مرتفع للغاية - فالذرة الممتزة لا يمكنها ببساطة أن تنفصل من تلقاء نفسها."
ويؤكد الباحثون أنه في هذه الآلية يتم استخدام الماء كعامل محفز. المحفز هو مادة تساعد في التفاعل الكيميائي دون تغيير نفسها. ويوضح قائلاً: "إن الماء مطلوب لتحريك الذرات الممتزة من مكان إلى آخر، ولكن مثل المحفز، لا يتم استهلاكه أثناء التفاعل". "تبدأ بالماء وتنتهي بالماء."
وفي الخطوة التالية، يخطط الباحثون لاختبار ما إذا كان الماء قادرًا على تحريك الذرات الممتزة من الأنواع الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، سيقومون بدراسة كيفية تأثير الإشعاع على هذه الآلية.
