anche Se l’acido carbonico esiste solo per una frazione di secondo prima di trasformarsi in una miscela di idrogeno e ioni di bicarbonato, è fondamentale sia per la salute dell’ambiente e il corpo umano.
Anche se raccoglie pochi titoli pubblici, l’acido carbonico, la forma idratata dell’anidride carbonica, è fondamentale sia per la salute dell’atmosfera che per il corpo umano., Tuttavia, poiché esiste solo per una frazione di secondo prima di trasformarsi in un mix di ioni idrogeno e bicarbonato, l’acido carbonico è rimasto un enigma. Un nuovo studio condotto da ricercatori di Berkeley Lab ha prodotto preziose nuove informazioni sull’acido carbonico con importanti implicazioni sia per le preoccupazioni geologiche che biologiche.
Richard Saykally, chimico della Divisione di scienze chimiche di Berkeley Lab e professore di chimica presso l’Università della California (UC) Berkeley, ha condotto uno studio che ha prodotto le prime misurazioni di spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS) per acido carbonico acquoso., Queste misurazioni XAS, ottenute presso l’Advanced Light Source (ALS) di Berkeley Lab, erano in forte accordo con le previsioni dei supercomputer ottenute presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
La combinazione di risultati teorici e sperimentali fornisce nuove e dettagliate intuizioni sulle proprietà idratanti dell’acido carbonico acquoso che dovrebbero avvantaggiare lo sviluppo di tecnologie di sequestro e mitigazione del carbonio e migliorare la nostra comprensione di come l’acido carbonico regola il pH del sangue.,
“I nostri risultati supportano un numero medio di idratazione di 3,17 con i due protoni dell’acido che donano ciascuno un forte legame idrogeno alle acque di solvatazione, l’ossigeno carbonilico che accetta un forte legame idrogeno dall’acqua di solvatazione e le molecole di ossigeno idrossilico che accettano legami idrogeno deboli dall’acqua”, afferma Saykally. “I dati XAS devono essere interpretati confrontando le misurazioni con i risultati di uno spettro calcolato, il che è una sfida seria. Il forte accordo tra i nostri spettri a raggi X calcolati e osservati è un risultato nuovo e significativo.,”
Le simulazioni di dinamica molecolare e il metodo di teoria funzionale della densità dei primi principi utilizzati per modellare e interpretare le misurazioni XAS sono state condotte sotto la guida di David Prendergast, uno scienziato dello staff nella struttura Theory of Nanostructures presso la Fonderia molecolare di Berkeley Lab. La Fonderia molecolare, NERSC e la SLA, sono tutti DOE Office of Science national user facilities ospitati presso Berkeley Lab.,
“Utilizzando il nostro modello di dinamica molecolare di primo principio e simulazioni dinamiche molecolari, siamo stati in grado di simulare il modo in cui l’acido carbonico viene solvato dall’acqua”, afferma Prendergast. “Abbiamo quindi convertito queste informazioni in uno spettro di assorbimento XAS previsto che potrebbe essere direttamente confrontato con le misurazioni sperimentali presso la SLA.”
(Da sinistra) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith e Royce Lam facevano parte di un team che ha fornito preziose nuove informazioni sull’acido carbonico acquoso., (Foto di Roy Kaltschmidt)
Saykally e Prendergast hanno pubblicato i loro risultati in Chemical Physical Letters. Il documento è intitolato ” La struttura di idratazione dell’acido carbonico acquoso dalla spettroscopia di assorbimento dei raggi X.”Saykally è l’autore corrispondente. Altri coautori, oltre a Prendergast, sono Royce Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith e Anthony Rizzuto.
Quando l’anidride carbonica si dissolve in acqua circa l’uno per cento di esso forma acido carbonico, che quasi immediatamente si dissocia in anioni e protoni bicarbonato., Nonostante la sua fugace esistenza – circa 300 nanosecondi-l’acido carbonico è una specie intermedia cruciale nell’equilibrio tra anidride carbonica, acqua e molti minerali. Svolge un ruolo cruciale nel ciclo del carbonio – lo scambio di anidride carbonica tra l’atmosfera e gli oceani – e nel tamponamento del sangue e di altri fluidi corporei. La breve durata dell’acido carbonico nell’acqua lo ha reso estremamente difficile da studiare.,
Saykally e il suo gruppo di ricerca hanno superato questo ostacolo con lo sviluppo di una tecnologia di miscelazione microjet liquida unica in cui due campioni acquosi si mescolano rapidamente e fluiscono attraverso un ugello con punta fine realizzato in silice fusa e dotato di un’apertura di pochi micrometri di diametro. Il fascio liquido risultante viaggia alcuni centimetri in una camera a vuoto prima di essere intersecato da un fascio di raggi X quindi raccolto e condensato. Saykally e il suo gruppo hanno istituito il loro sistema microjet liquido a ALS Beamline 8.0.,1, un’alta linea di fascio dell’ondulatore di flusso che produce i fasci di raggi x ottimizzati per gli studi di XAS.
“La chiave del nostro successo è stato un progresso nella nostra tecnologia microjet liquida che ci consente di ottenere una rapida miscelazione dei nostri reagenti, bicarbonato e acido cloridrico e un immediato sondaggio dei prodotti di acido carbonico”, afferma Saykally.
Per questo studio, lui e il suo gruppo hanno utilizzato una variazione di XAS chiamata spettroscopia NEXAFS (Near Edge X-ray Absorption Fine Structure), una tecnica di sonda specifica per l’atomo sia della struttura elettronica di una molecola che del suo ambiente chimico locale., NEXAFS è ideale per ottenere caratterizzazioni dettagliate delle interazioni di idratazione, tuttavia, è stato in gran parte limitato a studi su gas e solidi a causa delle difficoltà di lavorare con campioni liquidi in un alto vuoto. Incorporando la loro tecnologia microjet nell’ambiente ad alto vuoto di una linea di raggi X di sincrotrone, Saykally e il suo gruppo sono in grado di eseguire NEXAF su campioni liquidi.,
I ricercatori dietro questo studio affermano che i loro risultati sono importanti per comprendere e modellare come l’equilibrio chimico tra acido carbonico e anidride carbonica procede in falde acquifere saline e altri mezzi di sequestro del carbonio proposti. Lo stesso processo di equilibrio governa la respirazione negli organismi viventi.
“Poiché l’acido carbonico sia nella fase gassosa che in quella solida è stato studiato abbastanza bene, il nostro nuovo lavoro di soluzione acquosa faciliterà lo sviluppo di modelli dettagliati per la chimica gas-liquido reversibile dell’anidride carbonica”, afferma Saykally.,
Questa ricerca è stata sostenuta dal DOE Office of Science.
Ulteriori informazioni
Per ulteriori informazioni sulla ricerca di Richard Saykally vai qui
Per ulteriori informazioni sulla ricerca di David Prendergast vai qui
