Jak rozłożyć cząsteczkę wody?

Nanotechnologia i nanomateriały to z pewnością jedne z najpopularniejszych haseł w nauce XXI wieku. Najczęściej i najwięcej mówi się o węglowych nanorurkach, które obiecują przełom w wielu dziedzinach technologii. Ale operowanie w nanoskali to także inne materiały i technologie. Chociażby kontrolowanie pojedynczej molekuły... wody i kontrolowanie wyników jej dysocjacji w cienkich błonach.

Osiągnięciem takim mogą się pochwalić pracownicy RIKEN - czołowego japońskiego instytutu naukowo-technologicznego. Przy pomocy mikroskopu tunelowego udało im się selektywnie kontrolować dysocjację molekuły wody w cienkiej błonie tlenku magnezu (MgO) o grubości zaledwie kilku atomów (ilustracja 1). W bardzo niskiej temperaturze mikroskop tunelowy pozwolił im wstrzykiwać tunelowane elektrony do molekuł wody na powierzchni błony (ilustracja 2) oraz wybierać jeden ze sposobów dysocjacji. Poprzez wzbudzanie wibracji molekuły do odpowiednio wysokiego stanu wywoływano dysocjację do grupy hydroksylowej (H + OH) (ilustracja 3a i 3b), zaś poprzez wzbudzanie wysokiego stanu elektrycznego wywoływano dysocjację do tlenu atomowego (O) (ilustracja 3c i 3d).

Taka kontrola nad dysocjacją molekuł wody i wpływ na różne jej przebiegi, choć brzmi bardzo abstrakcyjnie, stwarza wyjątkowe praktyczne możliwości budowy nowych rodzajów katalizatorów. Szczególnie mocno oczekiwane są katalizatory pozwalające na łatwiejsze i tańsze wytwarzanie wodoru, potencjalnego źródła energii czystej ekologicznie. Zrozumienie dynamiki zachowania molekuł wody pozwoli być może na konstruowanie bardziej zaawansowanych i skomplikowanych katalizatorów na błonach z tlenków metali - te bowiem ujawniają coraz więcej ciekawych i użytecznych właściwości podczas badań w nanoskali.

dysocjacja wody katalizator błony tlenków metali tlenek magnezu RIKEN