By Щоб технологія ефективного отримання водню стала дійсністю — від генерування водню через електроліз до хімічних паливних елементів нового покоління — науковці мусять точно дізнатися, як окремі атоми водню пересуваються у воді — пишуть Ларс Фішер і Фіона Семюелс у журналі Scientific American.
Нейтральна молекула води складається із двох атомів водню, поєднаних з одним атомом кисню, але її вигнута форма призводить до того, що вона є поляризованою, тобто має два полюси, неначе магніт. Якби ми збільшили склянку води, то побачили б мільярди таких молекул, а також певну кількість окремих атомів водню, які втратили свій електрон (інакше кажучи — самі протони). Упродовж 200 років дослідники висували тезу, що ці протони перестрибують з однієї молекули води до іншої, зачіпаючись за найближчу молекулу і відштовхуючи один із пов’язаних із нею протонів, який своєю чергою пов’язується із сусідньою молекулою. Тепер група вчених із Пекіна вперше отримала зображення таких частинок, що допомогло з’ясувати, як відбуваються ті стрибки.
Моделі передбачали, що цей процес найчастіше відбувається двома способами. Перший із них полягає в тому, що протон пов’язується безпосередньо з окремою молекулою води, перетворюючи її з нейтральної молекули на позитивний іон. Три нейтральні молекули води, що її оточують, шикуються так, що їхні негативні полюси стабілізують цей заряд. У другому випадку додатковий протон розташовується між негативними полюсами двох нейтральних молекул води так, що вплив позитивного заряду рівномірно розділяється на кожну з них.
Учені змогли підтвердити виникнення таких орієнтацій завдяки атомно-силовій мікроскопії — технології, що генерує зображення шляхом відстежування наноскопічного вістря спеціальної голки, яка пересувається нерівностями на поверхні взірця. Використовуючи цей інструмент, Цзінь Гуо, хімічка із Пекінського педагогічного університету, і її колеги зобразили на молекулярному рівні структуру води, замороженої на металевій основі, і показали, як її змінили надмірні протони. Результати було опубліковано в часописі Science.
Неймовірно чутливі вимірювання дали змогу розрізнити дві конфігурації води. “Розташування протонів уздовж водневого з’єднання відрізнялося в них лише приблизно на 20 пікометрів, — говорить Гуо, — менш як половина діаметра самого атома водню. Ми дуже, дуже схвильовані тим, що після тривалих змагань побачили, який «вигляд» це має”.
Дослідники виявили, що ті дві конфігурації проявлялися з різною частотою й у різних пропорціях — залежно від виду металу, на якому заморожували воду. Вони також використали електрику, щоб змусити воду проходити між двома установками. “Це насправді дивовижно, що вдалося [безпосередньо] бачити щось таке, — каже Томас Кун, хімік-теоретик із Падерборнського університету в Німеччині, який не брав участі в цих експериментах. — Це відкриває шлях для дослідження механізмів, що лежать в основі [утворення водню]. І цілком імовірно, що із цього вийде багато доброго”.
