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受彗星启发科学家发现制造氧气新法

2019-5-29 环球解密

人类需要氧气才能生存,但地球之外却几乎不存在氧气。因此,氧气生成器便成了科幻小说中不可或缺的内容。

不过也不是没有例外,比如彗星喷出的气体中就含有氧分子。这种氧气的来源曾一度是个谜,直到两年前加州理工学院化学工程教授Konstantinos P. Giapis及同事们提出一种从未发现的化学反应过程。

据报道,通过对彗星的研究,Giapis和化学教授Tom Mille近期已证实了这种氧气生成的化学反应,并认为该发现有助于人类对宇宙的探索。该研究发表在近期出版的《自然通讯》(Nature Communications)期刊上。

大多数化学反应都需要能量,这种能量通常以热量形式提供。但Giapis发现,提供动能也会触发一些不寻常的反应。当水分子像微型子弹一样被射到含氧表面(如沙子或铁锈)时,水分子会将氧“扯下”形成氧分子。水分子从表面蒸发后被太阳风加速,再以高速撞回彗星时,同样的反应就在彗星上发生了。

彗星能排放二氧化碳(CO2),因此,当发现从彗星喷出的气流中含有氧分子时,科学家们设想:在与彗星表面发生碰撞时,CO2是否也会产生类似水的反应?

该团队设计了一种实验,让CO2撞击在金箔的惰性表面上,金箔的惰性表面不会被氧化,也不应产生氧分子。但实验结果却显示,金箔表面持续释放出氧分子。这意味着两个氧原子都来自同一个CO2分子。

“我们当时认为,将CO2分子的两个氧原子结合在一起是不可能的,因为CO2是一种线性分子,你必须将其严重弯曲才能做到这一点,”Giapis说。不过,该团队通过实验最终证实,在不激发分子的情况下能够形成严重弯曲的CO2并产生氧分子。

Giapis设计了一种实验设备,其工作方式类似粒子加速器,通过给予电荷将CO2分子转化为离子,再用电场将其加速,只不过是其能量比粒子加速器中的能量低得多。但他也表示,这并不是发生该反应所必需的装置。

“你可以把一块石头以足够快的速度扔向CO2并获得同样结果。”Giapis表示,“它需要以彗星或小行星的速度穿越太空。”

该发现也解释了在火星大气层中为何存在少量氧气。有人猜测,氧气是由太阳紫外线照射到CO2而产生,但Giapis认为,那些氧气产生于高速尘埃颗粒与CO2分子的碰撞。

在Giapis看来,团队用于实验的反应器装置经过升级后应该能够发挥更大的实际作用,比如作为宇航员未来在火星上氧气的来源,或者将温室气体CO2从地球的大气层中分离并变成氧气,从而应对气候变化。不过就目前用于实验的反应器来看,要实现这两种应用,都还有很长的路要走。

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