科幻小說中充滿了火星改造方案和氧氣發生器，這是有原因的——我們人類需要氧氣分子(O2)來呼吸，而空間基本上沒有氧氣。即使在其他大氣層較厚的行星上，氧氣也很難得到。所以，當人類探索太空時，我們需要自帶氧氣。這並不理想，因為用火箭將物體送入太空需要大量的能量，一旦供給耗盡，這些能量就會消失。在地球之外確實有一個地方出現了氧分子，那就是從彗星上噴出的一縷縷氣體。
這種氧氣的來源一直是個謎，加州理工學院(Caltech)化學工程學教授康斯坦蒂諾斯p賈皮斯(Konstantinos P. Giapis)和他的博士後同事姚雲喜(Yunxi Yao)提出，存在一種新的化學過程，可以解釋其產生的原因。Giapis和化學教授Tom Miller現在展示了一種產生氧氣的新反應，這種反應可以幫助人類探索宇宙，甚至可能在家裡對抗氣候變化。但更根本的是，這個反應代表了通過研究彗星發現的一種新化學物質。大多數化學反應需要能量，而能量通常以熱能的形式提供。
Giapis的研究表明，一些不尋常的反應可以通過提供動能來發生。當水分子像極微小的子彈一樣被射到含有氧氣表面時，例如沙子或鐵鏽，水分子就能把氧氣撕開，產生氧氣分子。
這種反應發生在彗星上，當水分子從表面蒸發，然後被太陽風加速，直到它們以高速撞回彗星。然而，彗星也會排放二氧化碳。Giapis和Yao想要測試二氧化碳是否也能在與彗星表面的碰撞中產生分子氧。當在彗星噴出的氣體流中發現氧氣時，想要確認這個反應與水的反應相似。
（博科園-圖示）stantinos P. Giapis利用他的反應器將二氧化碳轉化為分子氧。圖片：California Institute of Technology
因此設計了一個實驗，將二氧化碳撞擊到金箔的惰性表面，金箔不能被氧化，也不應該產生分子氧。儘管如此，氧氣還是繼續從金表面釋放出來。這意味著兩個氧原子都來自同一個二氧化碳分子，有效地以一種不同尋常的方式將其分裂。Giapis說：當時我們認為將一個二氧化碳分子的兩個氧原子結合在一起是不可能的，因為二氧化碳是一個線性分子，必須使分子嚴重彎曲才能使其工作，對分子做了一些非常劇烈的改變。
為了瞭解二氧化碳分解為分子氧的機理，Giapis找到Miller和他博士後同事Philip Shushkov，設計了整個過程的計算機模擬。由於激發態分子的可能形成，理解這個反應是一個重大的挑戰。這些分子有如此多的能量，以至於它們的組成原子振動和旋轉到一個巨大的程度。所有這些運動使得在計算機中模擬反應變得更加困難，因為分子中的原子以複雜的方式運動。一般來說，受激發分子會導致不尋常的化學反應，所以就從這個開始。但是激發態並沒有產生分子氧。相反，分子分解成其他產物。
在Giapis的反應器中，二氧化碳被轉化為分子氧。圖片：Caltech
最終發現嚴重彎曲的二氧化碳也可以在不激發分子的情況下形成，從而產生氧氣。giapi設計用來進行反應的裝置就像粒子加速器一樣，通過給二氧化碳分子充上電荷，然後用電場加速它們，將其轉化為離子，儘管其能量遠低於粒子加速器。
然而，這種裝置對於反應的發生是不必要的。可以以足夠的速度向一些二氧化碳扔一塊石頭，然後達到同樣的效果，速度必須與彗星或小行星在太空中的速度相當。這可能解釋了在火星大氣中觀測到的少量氧氣存在。
有人猜測，氧氣是由太陽照射二氧化碳的紫外線產生，但Giapis認為，氧氣也是由高速塵埃粒子與二氧化碳分子碰撞產生的。也許有一天能成為宇航員在火星上呼吸的空氣來源，或者通過把二氧化碳(一種溫室氣體)從地球大氣層中提取出來並將其轉化為氧氣來對抗氣候變化。然而，這兩種應用都還有很長的路要走，因為目前版本的反應堆產量很低，每100個二氧化碳分子只能產生一到兩個氧分子。其研究成果發表在《自然通訊》(Nature Communications)上。
博科園｜研究/來自：加州理工學院
參考期刊《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-019-10342-6
博科園｜科學、科技、科研、科普
交流、探討、學習、科學系產品購物
請下載我們App：博科園
閱讀更多 科學之美 的文章
