炭酸は水素と重炭酸塩イオンの混合物に変わる前にほんのわずか秒間しか存在しないが、大気と人体の健康の両方にとって重要である。
それはいくつかの公共の見出しを集めるけれども、炭酸、二酸化炭素の水和させた形態は、大気および人体の健康両方に重大である。, しかし、炭酸は水素イオンと重炭酸イオンの混合に変わるまでのわずか数秒しか存在しないため、炭酸は謎のままであった。 Berkeley Labの研究者による新しい研究は、地質学的および生物学的懸念の両方に重要な意味を持つ炭酸に関する貴重な新しい情報をもたらしました。
Berkeley Labの化学科学部門の化学者であり、カリフォルニア大学バークレー校の化学教授であるRichard Saykallyは、炭酸水溶液の最初のX線吸収分光法（XAS）測定を行った研究, バークレー研究所の高度光源（ALS）で得られたこれらのXAS測定は、国立エネルギー研究科学コンピューティングセンター（NERSC）で得られたスーパーコンピュータの予測と強く一致していた。
理論と実験結果の組み合わせは、炭素隔離および緩和技術の開発に利益をもたらし、炭酸が血液のpHをどのように調節するかについての理解を向上させるべきである炭酸水溶液の水和特性に関する新しい詳細な洞察を提供する。,
“我々の結果は、酸の二つのプロトンがそれぞれ溶媒和水に強い水素結合を与え、溶媒和水から強い水素結合を受け入れるカルボニル酸素、水から弱い水素結合を受け入れるヒドロキシル酸素分子と3.17の平均水和数をサポートしている”とSaykally氏は述べている。 “Xasデータは、測定と計算されたスペクトルからの結果を比較することによって解釈されなければなりません。 計算したＸ線スペクトルと観測したＸ線スペクトルとの間の強い一致は新しく重要な成果である。,”
xas測定をモデル化および解釈するために使用される分子動力学シミュレーションおよび第一原理密度汎関数理論の方法は、Berkeley LabのMolecular Foundryのナノ構造 分子鋳造所、NERSCおよびALSは、すべてBerkeley Labで開催されているDOE Office of Science nationalユーザー施設です。,
“第一原理分子動力学モデルと分子動力学シミュレーションを使用して、炭酸が水によって溶媒和される方法をシミュレートすることができました”とPrendergast “その後、この情報を予測されたXAS吸収スペクトルに変換し、ALSでの実験測定と直接比較することができました。”
（左から）Richard Saykally、David Prendergast、Jacob Smith、Royce Lamは、炭酸水溶液に関する貴重な新しい洞察を提供したチームの一員でした。, （写真：Roy Kaltschmidt）
SaykallyとPrendergastは、その結果をChemical Physical Lettersで発表しました。 Ｘ線吸収分光法による炭酸水溶液の水和構造について述べた。”Saykallyは対応する著者です。 プレンダーガストに加えて、他の共著者には、ロイス-ラム、アリス-イングランド、アレックス-シアディ、オリオン-シー、ジェイコブ-スミス、アンソニー-リズート
二酸化炭素が水に溶解すると、その約一パーセントが炭酸を形成し、ほぼ直ちに重炭酸塩アニオンおよびプロトンに解離する。, そのつかの間の存在にもかかわらず–約300ナノ秒–炭酸は、二酸化炭素、水および多くの鉱物の間の平衡における重要な中間種である。 それは、炭素循環–大気と海洋の間の二酸化炭素の交換–および血液および他の体液の緩衝において重要な役割を果たす。 水の炭酸の短い寿命は調査することを非常に困難にしました。,
Saykallyと彼の研究グループは、二つの水性試料が溶融シリカから作られ、直径わずか数マイクロメートルの開口部を備えた細かく先端のノズルを急速に混合し、流れるユニークな液体マイクロジェット混合技術の開発により、この障害を克服した。 得られた液体ビームは、x線ビームによって交差する前に真空チャンバ内で数センチメートル移動し、収集して凝縮します。 Saykallyと彼のグループは、ALSビームライン8.0に液体マイクロジェットシステムを設置しました。,1のXASの調査のために最大限に活用されるX線のビームを作り出す高い変化アンジュレーターのビームライン。
“私たちの成功の鍵は、私たちの反応物、重炭酸塩と塩酸の迅速な混合、および炭酸生成物の即時プロービングを達成することを可能にする液体マイクロジェット技術の進歩でした”とSaykally氏は述べています。
この研究のために、彼と彼のグループは、分子の電子構造とその局所化学環境の両方の原子特theなプローブ技術であるNear Edge X-ray Absorption Fine Structure（NEXAFS）分光法と呼ばれるxasのバリエーションを使用しました。, NEXAFSは、水和相互作用の詳細な特徴付けを得るのに理想的ですが、高真空中で液体試料を扱うことが困難なため、ガスおよび固体の研究に限定されています。 シンクロトロンX線ビームラインの高真空環境にマイクロジェット技術を組み込むことにより、Saykallyと彼のグループは、液体試料にNEXAFSを実行することができ,
この研究の背後にある研究者は、その結果は、塩水帯水層および他の提案された炭素隔離媒体中で炭酸と二酸化炭素の間の化学平衡がどのように進行するかを理解し、モデリングするために重要であると述べている。 同じ平衡過程が生きている生物の呼吸を支配する。
“ガスおよび固体相の両方の炭酸がかなりよく研究されているので、私たちの新しい水溶液研究は、二酸化炭素の可逆気液化学の詳細なモデルの開発を容易にするでしょう”とSaykally氏は述べています。,
この研究はDOE Office of Scienceによって支援されました。
追加情報
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