2009年3月17日
单个氧原子在金属氧化物板上舞动，这里亮一些，那里暗一些，帮助化学家更好地理解水是如何分裂成氧和氢的。在这个过程中，科学家们想象了一种以前只被讨论过的化学反应。这项新工作提高了我们对从水中产生氢燃料或净化被污染的水所需化学物质的理解。
科学家们在试图确定二氧化钛(一种有时存在于防晒霜中的化合物)分解水的基本原理时发现了这一发现。水和氧之间的化学反应对于生产氢气、分解污染物和利用太阳能等各种过程至关重要。
“氧气和水参与了很多很多的反应，”物理学家Igor Lyubinetsky说能源部太平洋西北国家实验室他在3月6日出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上报道了该团队的研究结果。“这种流动性可能会干扰一些反应，并帮助其他反应。”
熙熙攘攘的亮点
在探索二氧化钛将水分解成氢和氧的方法时，研究人员可以使用一种叫做扫描隧道显微镜的技术来观察化学反应。二氧化钛板的表面就像一片玉米地:成排的氧原子从一小片钛原子中升起。氧和钛的交替排列看起来像条纹。
科学家还可以看到一些原子和分子作为亮点停留在表面。一个这样可见的原子是一个单独的氧原子，它落在钛原子上，被称为“吸附原子”。化学家只有在水分子急剧降低温度的情况下才能看到水分子——在环境温度下，水移动得太快，该方法无法捕捉到它们。
在这项工作中，PNNL的科学家们在位于PNNL园区的美国能源部环境分子科学实验室EMSL研究了水与二氧化钛在环境温度下的反应。欧洲杯线上买球从一个表面镀上一些氧吸附原子开始，他们加入水——吸附原子开始跳舞。
“突然间，几乎每个吸附原子都开始沿着钛条来回移动，”柳宾涅茨基说。“从理论和之前的工作来看，我们希望看到这一进展。”
值得注意的是，吸附原子并不只是在条纹上上下滑动。它们也会跳出来，落在其他人身上，就像跳高跷舞的人在狂舞坑里跳高跷舞一样。
“我们看到了意想不到的事情。我们认为这非常奇怪——我们看到吸附原子跳过了一排排，”柳宾涅茨基说。“我们只是无法解释。”
在计算吸附原子自身移动所需的能量时，化学家们怀疑吸附原子得到了帮助——最有可能是来自看不见的水分子。
看不见的推动者
为了弄清楚这些舞动的吸附原子，研究小组计算了在水分子的帮助下移动吸附原子需要多少能量。如果一个水分子靠近吸附原子，其中的一个氢原子就会跳到吸附原子上，形成两个氧氢对。
这些对被称为羟基，倾向于从其他分子中窃取原子，包括彼此。其中一个偷食的羟基会夺取另一个的氢原子，变成水分子。水分子漂走，留下吸附原子。有一半的时间，那个吸附原子是在一个点的上方——这使得原来的吸附原子似乎已经移动了。
化学家们认为水也可以帮助吸附原子跳跃一排:如果一个水分子和一个吸附原子位于升高的氧原子排的两侧，那么一排氧原子可以充当中间角色，将一个氢从水分子传递给吸附原子。再一次，两个羟基形成了，其中一个最终偷走了两个氢(在中间分子的帮助下)，以水的形式消失了。如果进入的水分子被剥离了，吸附原子似乎跳过了。
计算出的不同场景所需能量与团队的实验数据吻合得很好。当一排氧作为中间体时，这个过程被称为“伪解离”，这是化学家们提出的一种反应，但直到现在还没有经过实验验证。
“我们意识到，只有当我们涉及到水的伪解离状态时，我们才能解释它，”柳宾涅茨基说。“否则，所有的计算都表明有太高的障碍，吸附原子无法自己跳跃。”
柳宾内茨基指出，这表明水本身可以作为催化剂。催化剂是一种分子，它可以促进化学反应，并在经历过程中保持不变。
“水需要移动吸附原子，但就像催化剂一样，它不会在反应中被消耗掉，”他说。“你从水开始，到水结束。”
在未来，该团队计划确定水是否可以使吸附原子移动其他物种，并且一次移动不止一个空间。此外，他们还将研究光如何影响反应。