科幻小说中充满了火星改造方案和氧气发生器，这是有原因的——我们人类需要氧气分子(O2)来呼吸，而空间基本上没有氧气。即使在其他大气层较厚的行星上，氧气也很难得到。所以，当人类探索太空时，我们需要自带氧气。这并不理想，因为用火箭将物体送入太空需要大量的能量，一旦供给耗尽，这些能量就会消失。在地球之外确实有一个地方出现了氧分子，那就是从彗星上喷出的一缕缕气体。
这种氧气的来源一直是个谜，加州理工学院(Caltech)化学工程学教授康斯坦蒂诺斯p贾皮斯(Konstantinos P. Giapis)和他的博士后同事姚云喜(Yunxi Yao)提出，存在一种新的化学过程，可以解释其产生的原因。Giapis和化学教授Tom Miller现在展示了一种产生氧气的新反应，这种反应可以帮助人类探索宇宙，甚至可能在家里对抗气候变化。但更根本的是，这个反应代表了通过研究彗星发现的一种新化学物质。大多数化学反应需要能量，而能量通常以热能的形式提供。
Giapis的研究表明，一些不寻常的反应可以通过提供动能来发生。当水分子像极微小的子弹一样被射到含有氧气表面时，例如沙子或铁锈，水分子就能把氧气撕开，产生氧气分子。
这种反应发生在彗星上，当水分子从表面蒸发，然后被太阳风加速，直到它们以高速撞回彗星。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能在与彗星表面的碰撞中产生分子氧。当在彗星喷出的气体流中发现氧气时，想要确认这个反应与水的反应相似。
（博科园-图示）stantinos P. Giapis利用他的反应器将二氧化碳转化为分子氧。图片：California Institute of Technology
因此设计了一个实验，将二氧化碳撞击到金箔的惰性表面，金箔不能被氧化，也不应该产生分子氧。尽管如此，氧气还是继续从金表面释放出来。这意味着两个氧原子都来自同一个二氧化碳分子，有效地以一种不同寻常的方式将其分裂。Giapis说：当时我们认为将一个二氧化碳分子的两个氧原子结合在一起是不可能的，因为二氧化碳是一个线性分子，必须使分子严重弯曲才能使其工作，对分子做了一些非常剧烈的改变。
为了了解二氧化碳分解为分子氧的机理，Giapis找到Miller和他博士后同事Philip Shushkov，设计了整个过程的计算机模拟。由于激发态分子的可能形成，理解这个反应是一个重大的挑战。这些分子有如此多的能量，以至于它们的组成原子振动和旋转到一个巨大的程度。所有这些运动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。一般来说，受激发分子会导致不寻常的化学反应，所以就从这个开始。但是激发态并没有产生分子氧。相反，分子分解成其他产物。
在Giapis的反应器中，二氧化碳被转化为分子氧。图片：Caltech
最终发现严重弯曲的二氧化碳也可以在不激发分子的情况下形成，从而产生氧气。giapi设计用来进行反应的装置就像粒子加速器一样，通过给二氧化碳分子充上电荷，然后用电场加速它们，将其转化为离子，尽管其能量远低于粒子加速器。
然而，这种装置对于反应的发生是不必要的。可以以足够的速度向一些二氧化碳扔一块石头，然后达到同样的效果，速度必须与彗星或小行星在太空中的速度相当。这可能解释了在火星大气中观测到的少量氧气存在。
有人猜测，氧气是由太阳照射二氧化碳的紫外线产生，但Giapis认为，氧气也是由高速尘埃粒子与二氧化碳分子碰撞产生的。也许有一天能成为宇航员在火星上呼吸的空气来源，或者通过把二氧化碳(一种温室气体)从地球大气层中提取出来并将其转化为氧气来对抗气候变化。然而，这两种应用都还有很长的路要走，因为目前版本的反应堆产量很低，每100个二氧化碳分子只能产生一到两个氧分子。其研究成果发表在《自然通讯》(Nature Communications)上。
博科园｜研究/来自：加州理工学院
参考期刊《自然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-019-10342-6
博科园｜科学、科技、科研、科普
交流、探讨、学习、科学系产品购物
请下载我们App：博科园
閱讀更多 科學之美 的文章
