科幻小說中充滿了火星改造方案和氧氣發(fā)生器，這是有原因的——我們?nèi)祟愋枰鯕夥肿?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。

這并不理想，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(xiàn)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)和他的博士后同事姚云喜(Yunxi Yao)提出，存在一種新的化學過程，可以解釋其產(chǎn)生的原因。Giapis和化學教授Tom Miller現(xiàn)在展示了一種產(chǎn)生氧氣的新反應(yīng)，這種反應(yīng)可以幫助人類探索宇宙，甚至可能在家里對抗氣候變化。但更根本的是，這個反應(yīng)代表了通過研究彗星發(fā)現(xiàn)的一種新化學物質(zhì)。大多數(shù)化學反應(yīng)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(yīng)可以通過提供動能來發(fā)生。當水分子像極微小的子彈一樣被射到含有氧氣表面時，例如沙子或鐵銹，水分子就能把氧氣撕開，產(chǎn)生氧氣分子。這種反應(yīng)發(fā)生在彗星上，當水分子從表面蒸發(fā)，然后被太陽風加速，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(chǎn)生分子氧。當在彗星噴出的氣體流中發(fā)現(xiàn)氧氣時，想要確認這個反應(yīng)與水的反應(yīng)相似。

因此設(shè)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(yīng)該產(chǎn)生分子氧。盡管如此，氧氣還是繼續(xù)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(jié)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。

為了了解二氧化碳分解為分子氧的機理，Giapis找到Miller和他博士后同事Philip Shushkov，設(shè)計了整個過程的計算機模擬。由于激發(fā)態(tài)分子的可能形成，理解這個反應(yīng)是一個重大的挑戰(zhàn)。這些分子有如此多的能量，以至于它們的組成原子振動和旋轉(zhuǎn)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(yīng)變得更加困難，因為分子中的原子以復雜的方式運動。一般來說，受激發(fā)分子會導致不尋常的化學反應(yīng)，所以就從這個開始。但是激發(fā)態(tài)并沒有產(chǎn)生分子氧。相反，分子分解成其他產(chǎn)物。

最終發(fā)現(xiàn)嚴重彎曲的二氧化碳也可以在不激發(fā)分子的情況下形成，從而產(chǎn)生氧氣。giapi設(shè)計用來進行反應(yīng)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，然后用電場加速它們，將其轉(zhuǎn)化為離子，盡管其能量遠低于粒子加速器。然而，這種裝置對于反應(yīng)的發(fā)生是不必要的?？梢砸宰銐虻乃俣认蛞恍┒趸既右粔K石頭，然后達到同樣的效果，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(chǎn)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(chǎn)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并將其轉(zhuǎn)化為氧氣來對抗氣候變化。然而，這兩種應(yīng)用都還有很長的路要走，因為目前版本的反應(yīng)堆產(chǎn)量很低，每100個二氧化碳分子只能產(chǎn)生一到兩個氧分子。其研究成果2019年5月24日發(fā)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

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