Selvom kulsyre eksisterer kun i en brøkdel af et sekund, før der skiftes til en blanding af brint og bikarbonat-ioner, det er afgørende, at både sundhed af atmosfæren, og den menneskelige krop.
selvom det giver få offentlige overskrifter, er kulsyre, den hydratiserede form af kuldio .id, kritisk for både atmosfærens sundhed og menneskekroppen., Fordi den kun eksisterer i en brøkdel af et sekund, før den ændres til en blanding af hydrogen-og bikarbonationer, har kulsyre forblevet en gåte. En ny undersøgelse foretaget af Berkeley Lab-forskere har givet værdifuld ny information om kulsyre med vigtige konsekvenser for både geologiske og biologiske bekymringer.
Richard Saykally, en kemiker med Berkeley Lab ‘ s Chemical Sciences Division og en professor i kemi ved University of California (UC) Berkeley, førte en undersøgelse, der producerede den første X-ray absorption spektroskopi (XAS) målinger for vandige kulsyre., Disse XAS målinger, der blev opnået på Berkeley Lab ‘ s Avancerede lyskilde (ALS), var i stærk aftale med supercomputer forudsigelser opnået ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
kombinationen af teoretiske og eksperimentelle resultater giver ny og detaljeret indsigt i hydratiseringsegenskaberne ved vandig kulsyre, der skal gavne udviklingen af kulstofbindings-og afbødningsteknologier, og forbedre vores forståelse af, hvordan kulsyre regulerer blodets pH.,
“Vores resultater understøtter en gennemsnitlig hydrering antallet af 3.17 med syre to protoner, der hver donere en stærk hydrogenbinding at solvating farvande, carbonyl ilt acceptere en stærk brint obligation fra solvating vand, og hydroxyl ilt molekyler accept svage hydrogenbindinger fra vandet,” siger Saykally. “XAS-data skal fortolkes ved at sammenligne målinger med resultater fra et beregnet spektrum, hvilket er en alvorlig udfordring. Den stærke aftale mellem vores beregnede og observerede Røntgenspektre er en ny og betydelig præstation.,”
molecular dynamics simuleringer og første principper density functional theory metode, der anvendes til at modellere og fortolke XAS målinger blev udført under ledelse af David Prendergast, en ansat forsker i Teorien om Nanostrukturer Facilitet på Berkeley Lab ‘ Molekylær-Støberi. Molecular Foundry, NERSC og ALS, er alle DOE Office of Science nationale brugerfaciliteter hostet på Berkeley Lab.,
” Ved hjælp af vores første principper molekylær dynamik model og molekylære dynamiske simuleringer, var vi i stand til at simulere, hvordan kulsyre er solvated af vand,” siger Prendergast. “Vi konverterede derefter disse oplysninger til et forudsagt absorptionas-absorptionsspektrum, der kunne sammenlignes direkte med eksperimentelle målinger på ALS.”
(Fra venstre) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith og Royce Lam var en del af et team, der har givet værdifuld ny indsigt i vandig kulsyre., (Foto af Roy Kaltschmidt)
Saykally og Prendergast har offentliggjort deres resultater i kemiske fysiske bogstaver. Papiret har titlen ” hydratiseringsstrukturen af vandig kulsyre fra Røntgenabsorptionsspektroskopi.”Saykally er den tilsvarende forfatter. Andre medforfattere udover Prendergast er Royce Lam, Alice England, ale.Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith og Anthony Ri. .uto.
når kuldio .id opløses i vand, danner ca.en procent af det kulsyre, som næsten øjeblikkeligt dissocierer til bikarbonatanioner og protoner., 300 nanosekunder-er kulsyre en afgørende mellemart i ligevægten mellem kuldio .id, vand og mange mineraler. Det spiller en afgørende rolle i kulstofkredsløbet – udvekslingen af kuldioxid mellem atmosfæren og verdenshavene – og i buffering af blod og andre kropsvæsker. Den korte levetid for kulsyre i vand har gjort det ekstremt vanskeligt at studere.,
Saykally og hans forskergruppe overvandt denne hindring med deres udvikling af en unik flydende microjet blanding teknologi, hvor to vandige prøver hurtigt mix og flow gennem et fint spids dyse, der er fremstillet af kvartsglas og har en åbning, som kun er få mikrometer i diameter. Den resulterende væskestråle bevæger sig et par centimeter i et vakuumkammer, før det skæres af en røntgenstråle, der derefter opsamles og kondenseres ud. Saykally og hans gruppe har oprettet deres flydende microjet system på ALS, Beamline 8.0.,1, en strålebjælke med høj Flu.undulator, der producerer røntgenstråler optimeret til studiesas-studier.
“nøglen til vores succes var et fremskridt i vores flydende microjet teknologi, der gør det muligt for os at opnå en hurtig blanding af vores reaktanter, bikarbonat og saltsyre, og øjeblikkelig sondering af kulsyre produkter,” Saykally siger.
For denne undersøgelse, han og hans gruppe anvendt en variation af XAS kaldes Nær Kanten X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) spektroskopi, en atom-specifik proben teknik af både den elektroniske struktur af et molekyle og dets lokale kemiske miljø., NEXAFS er ideel for at opnå detaljerede beskrivelser af hydrering interaktioner, men det har stort set været begrænset til undersøgelser i gasser og faste stoffer på grund af de vanskeligheder, der arbejder med flydende prøver i et højt vakuum. Ved at inkorporere deres microjet-teknologi i højvakuummiljøet i en synchrotron-røntgenstråle er Saykally og hans gruppe i stand til at udføre ne .afs på væskeprøver.,
forskerne bag denne undersøgelse sige, at deres resultater er vigtige for forståelse og modellering, hvordan den kemiske ligevægt mellem kulsyre og kuldioxid provenu i saline akviferer og andre foreslåede kulstofbinding medier. Den samme ligevægtsproces styrer respiration i levende organismer.
“Som kulsyre i både gas og fast faser har været ganske godt undersøgt, vores nye vand-løsning, arbejde, vil lette udviklingen af detaljerede modeller for den reversible gas-flydende kemi af kuldioxid,” Saykally siger.,
denne forskning blev støttet af DOE Office of Science.
Yderligere Oplysninger:
For mere om forskning i Richard Saykally gå her
For mere om den forskning, af David Prendergast gå her
