水微液滴在周围气体中引发放电现象和化学反应

近日，斯坦福大学化学系 Richard N. Zare 教授团队与江汉大学环境与健康学院夏宇副教授团队在微液滴化学领域取得了重要进展。他们在研究中发现，水液滴在分裂时由于电荷分离（大滴带正电、小滴带负电）会产生微放电现象，释放光子并形成类似闪电的效应。这一微放电能够电离周围的气体分子，并诱导一系列化学反应。该研究成果近期发表在 Science Advances 期刊上，第一作者是斯坦福大学化学系的博士后研究员 Yifan Meng（孟一凡）博士。

纯水是电的不良导体，这一观点被广泛认可。而早在 1867 年，英国科学家开尔文爵士（William Thomson）通过静电感应和电荷分离的原理发明了开尔文滴水起电机，证明了水可以与电荷建立联系。事实上，闪电的产生同样源于云层中的水滴或冰晶发生电荷分离和电荷累积。此外，早在 1892 年，匈牙利化学家 Philipp Lenard 就已发现瀑布附近的水滴携带电荷；后续研究进一步证实，不同尺寸的液滴所携带的电荷极性是不同的——大尺寸液滴携带正电荷，小尺寸液滴携带负电荷。

在本研究中，Zare 团队发现，携带相反极性电荷的液滴在接近时会形成间隙电场，而当两液滴间的距离足够小时，该间隙电场能够击穿液滴之间的空气，从而产生类似闪电的发光现象。如图1 所示，他们利用声悬浮装置捕获单个水液滴，并通过空气摩擦使其带正电荷。当通过控制声场压缩液滴时，无数微米尺寸的小液滴从初始大尺寸液滴中分裂出来（图1D），实验结果表明这些小液滴均携带负电荷。在分裂过程中，正负电荷液滴之间的距离从零开始逐渐增大。研究团队在分裂开始时使用光电倍增管检测到发光现象（实验装置置于暗室中）。这一发光现象被认为是由于正负液滴产生的间隙电场击穿了两者之间的空气所致。

图1. 微液滴分裂产生发光现象。

Comsol 模拟结果表明，在液滴分裂的起始阶段，即携带相反电荷的液滴距离极小时，间隙电场的强度可超过 1 × 10⁹ V/m。Zare 团队在质谱仪器进样口前端搭建了一个密闭腔体，并将其与液滴分裂装置相连，以直接分析液滴间隙电场产生的离子。研究发现，与常规的质子化或去质子化电离方式（如 [M+H]⁺、[M−H]⁻）不同，液滴产生的微放电可以电离环境气体中的非极性分子，例如苯（C₆H₆）、正辛烷（C₈H₁₈）和溴分子（Br₂）等。更令人惊讶的是，稀有气体氙（Xe）也能形成正离子，并被质谱仪捕获（图2）。在这些电离过程中，所有分子均以失去电子的方式形成一价阳离子，这一过程类似于等离子体电离或电子轰击电离行为。这些结果进一步证明，液滴之间形成的电场具有强大的电离能力。

图2. 微液滴分裂形成的间隙电场诱导气体分子电离。

为了探究微液滴产生的间隙电场的能量，Zare 教授团队的研究人员在质谱仪前端的密闭腔体中引入了七种第一电离能不同的卤代烷烃组成的混合气体，利用微液滴间隙电场电离这些气体分子，并使用质谱仪原位检测所产生的离子。实验结果表明，这七种卤代烷烃在微液滴间隙电场中产生的正离子均可被检测到，所得质谱图与这些卤代烷烃的电子轰击电离（EI）质谱图高度一致（图3）。此外，研究人员还发现，所得质谱峰强度与分子的第一电离能呈负相关关系，即第一电离能越高，质谱峰强度越低。实验还表明，所能检测到的电离能最高的分子为 CFCl₃，其第一电离能为 11.77 eV。而在另一组实验中，研究人员未观察到 CH₂F₂ 和 C₂HF₅的离子信号，它们的第一电离能分别为 12.7 eV 和 12.5 eV。据此，研究人员推测，微液滴间隙电场的能量约为 12 eV，这一结果与可观察到 Xe⁺ 信号的现象相吻合（Xe 的第一电离能为 12.13 eV）。

图3. 微液滴间隙电场能量的评估。

在 1952 年，S. L. Miller 和 H. C. Urey 进行了一项著名的实验，模拟原始地球的还原性大气环境，并通过释放闪电能量来合成有机物（特别是氨基酸），以验证生命起源的化学进化过程。在本研究的最后，Zare 团队的研究人员在质谱前端的腔体中模拟了 Miller-Urey 实验的气体环境，并通过制造液滴分裂以产生微闪电，成功观察到了含有 C-N 键的有机分子，包括氰基乙炔和甘氨酸等（图4）。这些分子在 Miller-Urey 实验中同样曾被检测到，这进一步证明了液滴分裂能够产生类似闪电的放电现象。

图4. 微液滴间隙电场诱导无机气体到有机分子的生成。

自然界中液滴分裂现象无处不在，例如海水浪花、瀑布等都会产生带电的液滴。这项研究将“平凡”的水微滴变为“能量工厂”，不仅为微液滴化学提供了更多有力的实验支持，同时也为探索生命起源开辟了一条充满想象力的路径。

该工作近期发表在Science Advances 上，斯坦福大学化学系 Richard N. Zare 教授与江汉大学环境与健康学院夏宇副教授为论文的共同通讯作者，斯坦福大学博士后研究员Yifan Meng（孟一凡）博士是论文的第一作者，斯坦福大学博士研究生Jinheng Xu（徐缙恒）参与了此工作。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Spraying of water microdroplets forms luminescence and causes chemical reactions in surrounding gas

Yifan Meng, Yu Xia*, Jinheng Xu, Richard N. Zare*

Sci. Adv. 2025, 11, eadt8979. DOI: 10.1126/sciadv.adt8979

导师介绍

Richard N. Zare

https://www.x-mol.com/university/faculty/437