Když se kyselina uhličitá existuje jen zlomek sekundy před změnou do mixu vodíkové a bikarbonátové ionty, to je důležité jak pro zdraví z atmosféry a lidské tělo.
přestože získává jen málo titulků veřejnosti, kyselina uhličitá, hydratovaná forma oxidu uhličitého, je kritická jak pro zdraví atmosféry, tak pro lidské tělo., Protože však existuje jen zlomek sekundy, než se změní na směs iontů vodíku a hydrogenuhličitanu, kyselina uhličitá zůstala záhadou. Nová studie vědců z Berkeley Lab přinesla cenné nové informace o kyselině uhličité s důležitými důsledky pro geologické i biologické obavy.
Richard Saykally, chemik s Berkeley Lab Chemické Vědy a profesor chemie na University of California (UC) v Berkeley, vedl studii, která produkoval první X-ray absorpční spektroskopie (XAS) měření pro vodné kyseliny uhličité., Tato měření XAS, která byla získána v pokročilém světelném zdroji Berkeley Lab (ALS), byla v silné shodě s předpovědí superpočítačů získanými v Národním vědeckém výpočetním Centru pro energetický výzkum (NERSC).
kombinace teoretické a experimentální výsledky poskytuje nové a detailní vhled do hydrataci vlastnosti vodný kyselina uhličitá, která by měla prospěch rozvoje sekvestrace uhlíku a zmírnění technologií, a zlepšit naše chápání toho, jak uhličitá kyselina reguluje pH krve.,
„Naše výsledky podporují průměrnou hydrataci počet 3.17 s kyselinou dva protony každé darování silná vodíková vazba k solvatační vody, kyslíku karbonylové přijetí silná vodíková vazba od solvatační vody a hydroxylové molekuly kyslíku přijetím slabé vodíkové vazby z vody,“ říká Saykally. „Data XAS musí být interpretována porovnáním měření s výsledky z vypočteného spektra, což je vážná výzva. Silná shoda mezi našimi vypočítanými a pozorovanými rentgenovými spektry je novým a významným úspěchem.,“
molekulární dynamiky simulace a první principy hustota funkční teorie, metody použité pro model a interpretovat XAS měření bylo provedeno pod vedením Davida Prendergast, personál vědec v Teorii Nanostruktur Zařízení v Berkeley Laboratoř Molekulární Slévárny. Molekulární Slévárna, NERSC a ALS, jsou všechny Doe Office of Science národní uživatelská zařízení hostovaná v Berkeley Lab.,
“ pomocí našeho modelu molekulární dynamiky a molekulárně dynamických simulací jsme dokázali simulovat, jak je kyselina uhličitá solvována vodou,“ říká Prendergast. „Poté jsme tyto informace převedli na předpokládané absorpční spektrum XAS, které by bylo možné přímo porovnat s experimentálními měřeními v ALS.“
(zleva) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith a Royce Lam byli součástí týmu, který poskytl cenné nový vhled do vodné kyseliny uhličité., (Foto Roy Kaltschmidt)
Saykally a Prendergast zveřejnili své výsledky chemickými fyzikálními písmeny. Článek je nazván “ hydratační struktura vodné kyseliny uhličité z rentgenové absorpční spektroskopie.“Saykally je odpovídajícím autorem. Dalšími spoluautory, kromě Prendergast, jsou Royce Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith a Anthony Rizzuto.
když se oxid uhličitý rozpustí ve vodě asi jedno procento tvoří kyselinu uhličitou, která se téměř okamžitě disociuje na anionty a protony hydrogenuhličitanu., I přes svou prchavou existenci – asi 300 nanosekund – je kyselina uhličitá klíčovým meziproduktem v rovnováze mezi oxidem uhličitým, vodou a mnoha minerály. Hraje klíčovou roli v uhlíkovém cyklu-výměně oxidu uhličitého mezi atmosférou a oceány – a v pufrování krve a dalších tělesných tekutin. Krátká životnost kyseliny uhličité ve vodě ztěžovala studium.,
Saykally a jeho výzkumná skupina překonal tuto překážku jejich rozvoje jedinečný liquid microjet míchání technologie, ve které dva vodné vzorky, rychle promíchejte a průtok jemně hrotem trysky, která je vyrobena z taveného křemene a nabízí otevření jen několik mikrometrů v průměru. Výsledný kapalný paprsek cestuje několik centimetrů ve vakuové komoře, než je protínán rentgenovým paprskem, poté se shromažďuje a kondenzuje. Saykally a jeho skupina nastavili svůj tekutý mikrojetový systém na ALS Beamline 8.0.,1, high flux undulator beamline, který produkuje rentgenové paprsky optimalizované pro XAS studie.
„klíčem k našemu úspěchu byl předem v naší tekuté microjet technologie, která nám umožňuje dosáhnout rychlého míchání našich reaktanty, sodný a kyselina chlorovodíková, a okamžité snímání z kyseliny uhličité produkty,“ Saykally říká.
Pro tuto studii, on a jeho skupina použila změny XAS nazývá Blízkosti Hrany X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) spektroskopie, atom-specifické sondy techniku i elektronické struktury molekuly a její místní chemické prostředí., NEXAFS je ideální pro získání podrobných charakterizací hydratačních interakcí, avšak z velké části byla omezena na studie plynů a pevných látek kvůli obtížím při práci s kapalnými vzorky ve vysokém vakuu. Začleněním jejich microjet technologie do high-vakuové prostředí synchrotron X-ray., Saykally a jeho skupiny jsou schopny provádět NEXAFS na kapalné vzorky.,
vědci za této studie říkají, že jejich výsledky jsou důležité pro pochopení a modelování, jak chemické rovnováhy mezi kyseliny uhličité a oxidu uhličitého probíhá v solné zvodně a další navrhované sekvestrace uhlíku média. Stejný rovnovážný proces řídí dýchání v živých organismech.
„Jako kyseliny uhličité v obou plyn a pevná fáze byla poměrně dobře studoval, naše nové vodní roztok práci usnadní rozvoj detailní modely pro reverzibilní plyn-kapalina chemie oxidu uhličitého,“ Saykally říká.,
tento výzkum byl podpořen Úřadem pro vědu DOE.
Další Informace
Pro více o výzkumu Richard Saykally jít sem.
Pro více o výzkumu David Prendergast jít sem.
