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太好了!发现彗星激发化学反应,能火星上制造出可呼吸的氧气?

科幻小说充满了火星重塑和氧气发生器的原因。我们人类需要氧气分子(O2)来呼吸,而空间基本上是无氧的。即使在其他较厚的行星中,也很难获得氧气。

因此,当人类探索太空时,我们需要携带自己的氧气。这并不理想,因为使用火箭将物体送入太空需要大量能量,一旦供应耗尽,能量就会消失。地球外确实存在氧分子存在的地方,即从彗星喷出的气体。

这种氧气的来源一直是个谜,加州理工学院化学工程教授Calstantinos P. Giapis和他的博士后研究员Yunxi Yao表示,有一种新的化学过程可以解释其发生的原因。 Giapis和化学教授汤姆米勒现在正在展示一种对氧气的新反应,它可以帮助人类探索宇宙,甚至可以在家中对抗气候变化。但从根本上说,这种反应代表了一种通过研究彗星而发现的新化学物质。大多数化学反应需要能量,能量通常以热量的形式提供。

Giapis的研究表明,通过提供动能可以发生一些不寻常的反应。当水分子像小沙子或铁锈一样被射出时,水分子会撕裂氧气并产生氧分子。这种反应发生在彗星上,因为水分子从表面蒸发,然后被太阳风加速,直到它们与彗星高速碰撞。然而,彗星也会排放二氧化碳。 Giapis和Yao想要测试二氧化碳是否也会在与彗星表面发生碰撞时产生分子氧。当在从彗星喷射的气流中发现氧气时,希望确认该反应类似于水的反应。

(Boco Park - Graphic)stantinos P. Giapis使用他的反应器将二氧化碳转化为分子氧。照片:加州理工学院

因此,设计实验以将二氧化碳撞击到金箔的惰性表面上。金箔不能被氧化,不应产生分子氧。尽管如此,氧气继续从金表面释放出来。这意味着两个氧原子来自相同的二氧化碳分子,有效地以不寻常的方式将其分裂。 Giapis说:当时我们认为将二氧化碳分子的两个氧原子结合起来是不可能的,因为二氧化碳是一种线性分子,必须严格弯曲才能使其发挥作用,使分子发生一些非常剧烈的变化。

为了解二氧化碳分解成分子氧的机理,Giapis发现Miller和他的博士后同事Philip Shushkov设计了整个过程的计算机模拟。由于可能形成激发态分子,理解该反应是一项重大挑战。这些分子具有如此多的能量,以至于它们的组成原子在很大程度上振动和旋转。所有这些运动都使得在计算机中模拟反应变得更加困难,因为分子中的原子以复杂的方式运动。通常,激发的分子会引起异常的化学反应,所以从这开始。然而,激发态不产生分子氧。相反,这些分子会分解成其他产品。

在Giapis反应器中,二氧化碳转化为分子氧。照片:加州理工学院

最终发现,在没有激发分子的情况下也可以形成严重弯曲的二氧化碳,从而产生氧气。 giapi设计用于反应的装置就像一个粒子加速器,通过给二氧化碳分子充电然后用电场加速它们,将它们转换成离子,尽管它的能量比粒子加速器低得多。然而,这种装置对于发生反应不是必需的。你可以以某种速度将石头扔到一些二氧化碳上,然后达到同样的效果,速度必须与太空中的彗星或小行星的速度相当。这可以解释在火星大气中观察到的少量氧的存在。

据推测,氧气是由太阳的二氧化碳的紫外线产生的,但是Giapis认为氧气也是由高速尘埃粒子与二氧化碳分子的碰撞产生的。也许有一天它将成为宇航员在火星上呼吸的空气来源,或者通过从地球大气中提取二氧化碳(温室气体)并将其转化为氧气来应对气候变化。然而,这两种应用还有很长的路要走,因为当前版本的反应器产率非常低,每100个二氧化碳分子仅产生一个或两个氧分子。研究结果于2019年5月24日在《自然通讯》(Nature Communications)上发表。

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