המחקר החדש משפר את הבנתנו לגביי הכימיה הנדרשת ליצירת דלק מימני ממים
אטומי חמצן יחידים “המרקדים” מעל משטח תחמוצת מתכת, סייעו לכימאים להבין כיצד פרודת מים מבוקעת לאטומי מימן וחמצן. בתהליך, המדענים הצליחו לתאר תגובה כימית שבעבר רק הייתה תיאורטית. המחקר החדש משפר את הבנתנו לגביי הכימיה הנדרשת ליצירת דלק מימני ממים.
המדענים נתקלו בתגלית בעודם מנסים לקבוע את הכללים הבסיסיים שבעזרתם דו-תחמוצת הטיטאניום (titanium dioxide) – תרכובת המצויה לעיתים בקרם שיזוף – מבקעת פרודת מים למרכיביה האטומיים. התגובות הכימיות בין מים וחמצן הינן מרכזיות לתהליכים מגוונים כגון: ייצור מימן, פירוק מזהמים ואנרגיה סולארית.
“חמצן ומים מעורבים בתהליכים רבים ביותר,” אמר הפיסיקאי Igor Lyubinetsky מהמחלקה לאנרגיה ב- Pacific Northwest National Laboratory, אשר דיווח על ממצאי צוות המחקר בכתב-העת המדעי Physical Review Letters. “ניידות זו עלולה להפריע לתגובות מסוימות ולסייע לאחרות.”
במהלך בחינת הביקוע של מים לחמצן ומימן באמצעות דו-תחמוצת הטיטאניום החוקרים יכולים להסתייע בשיטה הקרויה “מיקרוסקופ מנהור סורק” (Scanning Tunneling Microscope, STM, מיקרוסקופ אשר בעזרתו ניתן לבחון משטחים ברמה האטומית) בכדי לצפות בתגובה הכימית. המשטח של דו-תחמוצת הטיטאניום דומה לשדה תירס: שורת אטומי חמצן המזדקרים החוצה מחלקה של אטומי טיטאניום. שורות החמצן והטיטאניום המופיעות לסירוגים דומות לכעין רצועות.
המדענים מסוגלים לראות גם אטומים מסוימים ה”נעצרים” על פני השטח כנקודות בהירות. אטום ברור לעין שכזה הוא אטום חמצן יחיד הממוקם על אטום טיטאניום, ומכונה “adatom” (אטום הממוקם על משטח גביש, קיצור של המונח “adsorbed atom”- אטום ספוח). כימאים מסוגלים להבחין בפרודות מים רק אם הטמפרטורה שלהם נמוכה ביותר.
במחקר הנוכחי, המדענים בחנו את תגובות המים עם דו-תחמוצת הטיטאניום בטמפרטורות רגילות. הם החלו במשטח המצופה באטומי חמצן ספוחים אחדים, ואז הוסיפו מים, ואזי אטומי החמצן החלו “לרקד”.
“לפתע, כמעט כל האטומים הללו החלו לנוע הלוך וחזור לאורך שורת הטיטאניום,” אמר החוקר. באופן מפתיע, אטומים אלו לא רק גלשו מעלה-מטה לרוחב הרצועות אלא גם קיפצו החוצה מאטומי הטיטאניום ונחתו בסמוכים להם, כמו בריקוד פרוע.”
“ראינו דברים בלתי-צפויים לחלוטין. חשבנו שזה היה מאוד מוזר – ראינו אטומים ספוחים שפשוט קפצו מאטום טיטאניום אחד למשנהו,” מסביר החוקר. “פשוט לא הצלחנו להסביר את זה.”
בחישוב כמות האנרגיה שתידרש לאטומים אלו בכדי לנוע בכוחות עצמם, ולקפץ מאטום טיטאניום אחד למשנהו, הכימאים חשדו כי לאטומים אלו יש סיוע נוסף – כנראה מפרודות המים הבלתי-נצפות.
בכדי להסביר את התופעה, הצוות חישב את האנרגיה הדרושה להנעת האטומים הרופפים הללו בסיוע של פרודות המים. אם פרודת מים מתמקמת בסמוך לאטום חמצן ספוח, אחד מאטומי המימן של המים מסוגל לקפוץ אליו וליצור בכך שני זוגות של חמצן-מימן. זוגות אלו ידועים כקבוצות הידרוקסיל ונוטות “לגנוב” אטומים מפרודות אחרות, כולל אחת מהשנייה. אחת מקבוצות אלו מסוגלת לגנוב אליה אטום מימן מקבוצה זהה שכנה ולהפוך שוב לפרודת מים. פרודת מים זו מתרחקת לה בהשאירה מאחור אטום ספוח.
הכימאים קבעו כי מים מסוגלים לסייע לאטום כזה לקפץ גם בין שורות: אם פרודת מים ואטום ספוח ממוקמים משני צידיה של שורת חמצנים, חמצן כזה מסוגל לשמש כמתווך בהעבירו אטום מימן אחד מפרודת המים לאטום האחר הספוח. שוב, נוצרות שתי קבוצות הידרוקסיל שאחת מהן, בסופו של דבר, “גונבת” את שני אטומי המימן (בסיועו של המתווך) ומתרחקת מהמשטח.
האנרגיות שחושבו עבור שני תרחישים שונים אלו מתאימות ביותר למידע הניסיוני של החוקרים. כאשר שורת חמצנים משמשת כמתווך, התהליך מכונה “הִתְפָּרְדוּת מדומה” (“pseudo-dissociation”), תגובה שהוצעה ע”י כימאים אך מעולם לא אוששה ניסיונית – עד עתה.
“הבנו כי רק אם נכניס לחישובינו את המצב הזה של התפרדות מדומה של מים נוכל להסביר את התופעה כולה,” מסביר החוקר. “אחרת, כל החישובים מראים שישנו מחסום אנרגטי גבוה מדי – האטום הספוח פשוט לא יכול להתנתק בכוחות עצמו.”
החוקרים מדגישים כי במנגנון זה משמשים המים כזרז (קטליזאטור). זרז הינו פרודה המסייעת לתגובה כימית מבלי להשתנות בעצמה. “המים נדרשים בכדי להזיז את האטומים הספוחים ממקום למקום, אך בדומה לזרז הם אינם נצרכים במהלך התגובה,” הוא מסביר. “אתה מתחיל עם מים ומסיים עם מים.”
בשלב הבא, החוקרים מתכננים לבחון אם מים מסוגלים להזיז אטומים ספוחים מסוגים אחרים. בנוסף, הם ייבחנו כיצד משפיעה קרינה על המנגנון הזה.
