bien que l’acide carbonique n’existe que pendant une fraction de seconde avant de se transformer la santé de L’atmosphère et du corps humain.
bien qu’il fasse peu de gros titres, l’acide carbonique, la forme hydratée du dioxyde de carbone, est essentiel à la fois à la santé de l’atmosphère et du corps humain., Cependant, parce qu’il n’existe qu’une fraction de seconde avant de se transformer en un mélange d’ions hydrogène et bicarbonate, l’acide carbonique est resté une énigme. Une nouvelle étude menée par des chercheurs du Berkeley Lab a donné de nouvelles informations précieuses sur l’acide carbonique avec des implications importantes pour les préoccupations géologiques et biologiques.
Richard Saykally, chimiste à la Division des sciences chimiques du Berkeley Lab et professeur de chimie à L’Université de Californie (UC) à Berkeley, a dirigé une étude qui a produit les premières mesures par spectroscopie D’absorption des rayons X (XAS) pour l’acide carbonique aqueux., Ces mesures XAS, qui ont été obtenues à L’Advanced Light Source (ALS) du Berkeley Lab, étaient en fort accord avec les prédictions des supercalculateurs obtenues au National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
la combinaison de résultats théoriques et expérimentaux fournit des informations nouvelles et détaillées sur les propriétés d’hydratation de l’acide carbonique aqueux qui devraient bénéficier au développement de technologies de séquestration et d’atténuation du carbone, et améliorer notre compréhension de la façon dont l’acide carbonique régule le pH du sang.,
« nos résultats soutiennent un nombre moyen d’hydratation de 3,17, les deux protons de l’acide donnant chacun une forte liaison hydrogène aux eaux de solvatation, l’oxygène carbonyle acceptant une forte liaison hydrogène de l’eau de solvatation et les molécules d’oxygène hydroxyle acceptant de faibles liaisons hydrogène de l’eau”, explique Saykally. « Les données XAS doivent être interprétées en comparant les mesures aux résultats d’un spectre calculé, ce qui est un sérieux défi. Le fort accord entre nos spectres de rayons X calculés et observés est une réalisation nouvelle et significative., »
Les simulations de dynamique moléculaire et la méthode de théorie fonctionnelle de la densité des premiers principes utilisée pour modéliser et interpréter les mesures XAS ont été réalisées sous la direction de David Prendergast, un scientifique du Personnel de L’installation de théorie des Nanostructures à la fonderie moléculaire du Berkeley Lab. La fonderie moléculaire, NERSC et L’ALS, sont toutes des installations nationales d’utilisateurs du Bureau des sciences du DOE hébergées au Berkeley Lab.,
« en utilisant notre modèle de dynamique moléculaire et nos simulations dynamiques moléculaires, nous avons pu simuler la solvatation de l’acide carbonique par l’eau”, explique Prendergast. « Nous avons ensuite converti cette information en un spectre d’absorption XAS prédit qui pourrait être directement comparé aux mesures expérimentales à la SLA. »
(de gauche à droite) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith et Royce Lam faisaient partie d’une équipe qui a fourni de nouvelles informations précieuses sur l’acide carbonique aqueux., (Photo de Roy Kaltschmidt)
Saykally et Prendergast ont publié leurs résultats dans Chemical Physical Letters. Le papier est intitulé « L’hydratation de la structure d’une solution aqueuse d’acide carbonique à partir de X-ray absorption spectroscopy. »Saykally est l’auteur correspondant. Les autres coauteurs, en plus de Prendergast, sont Royce Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith et Anthony Rizzuto.
lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans l’eau, environ un pour cent de celui-ci forme de l’acide carbonique, qui se dissocie presque immédiatement en anions et protons bicarbonate., Malgré son existence éphémère-environ 300 nanosecondes-l’acide carbonique est une espèce intermédiaire cruciale dans l’équilibre entre le dioxyde de carbone, l’eau et de nombreux minéraux. Il joue un rôle crucial dans le cycle du carbone – l’échange de dioxyde de carbone entre l’atmosphère et les océans – et dans la zone tampon du sang et d’autres fluides corporels. La courte durée de vie de l’acide carbonique dans l’eau l’a rendue extrêmement difficile à étudier.,
Saykally et son groupe de recherche ont surmonté cet obstacle en développant une technologie unique de mélange de microjet liquide dans laquelle deux échantillons aqueux se mélangent rapidement et s’écoulent à travers une buse à pointe fine faite de silice fondue et dotée d’une ouverture de seulement quelques micromètres de diamètre. Le faisceau de liquide résultant se déplace de quelques centimètres dans une chambre à vide avant d’être coupé par un faisceau de rayons X puis collecté et condensé. Saykally et son groupe ont mis en place leur système de MicroJet liquide à als Beamline 8.0.,1, une ligne de faisceau ondulatoire à haut flux qui produit des faisceaux de rayons X optimisés pour les études XAS.
« la clé de notre succès a été une Avancée dans notre technologie de MicroJet liquide qui nous permet d’obtenir un mélange rapide de nos réactifs, du bicarbonate et de l’acide chlorhydrique, et un sondage immédiat des produits d’acide carbonique”, explique Saykally.
pour cette étude, lui et son groupe ont utilisé une variation de XAS appelée spectroscopie NEXAFS (Near Edge X-ray Absorption Fine Structure), une technique de sonde spécifique à l’atome de la structure électronique d’une molécule et de son environnement chimique local., NEXAFS est idéal pour obtenir des caractérisations détaillées des interactions d’hydratation, cependant, il a été largement limité aux études dans les gaz et les solides en raison des difficultés de travailler avec des échantillons liquides dans un vide poussé. En intégrant leur technologie microjet dans l’environnement sous vide poussé d’une ligne de faisceau de rayons X synchrotron, Saykally et son groupe sont en mesure de réaliser des NEXAFS sur des échantillons liquides.,
Les chercheurs à l’origine de cette étude affirment que leurs résultats sont importants pour comprendre et modéliser comment l’équilibre chimique entre l’acide carbonique et le dioxyde de carbone se produit dans les aquifères salins et d’autres milieux de séquestration du carbone proposés. Le même processus d’équilibre régit la respiration chez les organismes vivants.
« comme l’acide carbonique dans les phases gazeuse et solide a été assez bien étudié, notre nouveau travail de solution d’eau facilitera le développement de modèles détaillés pour la chimie réversible gaz-liquide du dioxyde de carbone”, explique Saykally.,
cette recherche a été soutenue par le bureau des sciences du DOE.
Informations Supplémentaires
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