selv Om kullsyre eksisterer for bare en brøkdel av et sekund før du endrer til en blanding av hydrogen og bicarbonate ioner, det er avgjørende for både helse av atmosfæren og den menneskelige kroppen.
selv Om det garners få offentlig overskrifter, kullsyre, den hydrert form av karbondioksid, er kritisk til både helse av atmosfæren og den menneskelige kroppen., Imidlertid, fordi det finnes bare en brøkdel av et sekund før du endrer til en blanding av hydrogen og bicarbonate ioner, kullsyre har vært en gåte. En ny studie ved Berkeley Lab forskere har gitt verdifull ny informasjon om kullsyre med viktige implikasjoner for både geologiske og biologiske problemstillinger.
Richard Saykally, en kjemiker med Berkeley Lab Kjemiske Fag Divisjon og en professor i kjemi ved University of California (UC Berkeley, ledet en studie som har produsert den første X-ray absorption spectroscopy (XAS) målinger for vandige kullsyre., Disse XAS målinger, som ble innhentet ved Berkeley Lab Advanced lyskilde (ALS), var i sterk avtale med superdatamaskin spådommer innhentet ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
Den kombinasjon av teoretiske og eksperimentelle resultatene gir ny og detaljert innsikt i hydrering egenskaper av vandige kullsyre som skal gagne utviklingen av karbon karbonlagring og innstrammingen, og forbedre vår forståelse av hvordan kullsyre regulerer pH-verdien i blodet.,
«Våre resultater støtter en gjennomsnittlig fuktighet antall 3.17 med syre er to protoner hver donere en sterk hydrogen bånd til solvating farvann, karbonyl oksygen aksepterer en sterk hydrogen bond fra solvating vann, og hydroksyl oksygen molekyler aksepterer svak hydrogen obligasjoner fra vannet, sier Saykally. «XAS data må tolkes ved å sammenligne målinger med resultater fra en beregnet spektrum, som er en alvorlig utfordring. Den sterke avtalen mellom beregnet og observert X-ray spektra er en ny og betydelig prestasjon.,»
The molecular dynamics simuleringer og første prinsipper density functional theory metode som brukes til å modellere og tolke XAS målinger ble utført under ledelse av David Prendergast, en stab forsker i Teorien av Nanostrukturer Anlegget ved Berkeley Lab Molekylær Foundry. Den Molekylære Foundry, NERSC og ALS, er alle DOE Office of Science nasjonal bruker utstyr som ble arrangert på Berkeley Lab.,
«ved Hjelp av våre første-prinsipper molecular dynamics modell og molekylær dynamiske simuleringer, vi var i stand til å simulere hvordan kullsyre er solvated av vann,» Prendergast sier. «Vi deretter konvertert denne informasjonen til et anslått XAS absorpsjon spekteret som kan være direkte sammenlignet med eksperimentelle målinger på ALS.»
(Fra venstre) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith og Royce Lam var en del av et team som har gitt verdifull ny innsikt i vandig kullsyre., (Foto: Roy Kaltschmidt)
Saykally og Prendergast har publisert sine resultater i Kjemiske, Fysiske Brev. Papiret er tittelen «hydrering strukturen i vandig kullsyre fra X-ray absorption spectroscopy.»Saykally er det tilsvarende forfatter. Andre co-forfattere, i tillegg til Prendergast, er Royce Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith og Anthony Rizzuto.
Når karbondioksid løser seg opp i vann om lag en prosent av det danner kullsyre, som nesten umiddelbart distanserer å bicarbonate anioner og protoner., Til tross for sin flyktig tilværelse – om 300 nanosekunder – kullsyre er en avgjørende middels arter i likevekt mellom karbondioksid, vann og mange mineraler. Det spiller en avgjørende rolle i carbon cycle – utveksling av karbondioksid mellom atmosfære og hav – og i buffering (jobbufring) av blod og andre kroppsvæsker. Kort levetid på kullsyre i vannet har gjort det svært vanskelig å studere.,
Saykally og hans forskningsgruppe overvant denne hindringen med utvikling av en unik flytende microjet blande teknologi der to vandige prøver raskt blanding og strømme gjennom et fint tippet dyse som er laget av smeltet silisium og har en åpning bare et par micrometers i diameter. Den resulterende flytende bredde reiser et par centimeter i et vakuum kammeret før det er gjennomskåret av en X-ray bredde deretter samlet og kondenseres ut. Saykally og hans gruppe har satt opp sine likvide microjet system på ALS Beamline 8.0.,1, en high-flux undulator beamline som produserer X-ray bjelker som er optimalisert for XAS studier.
«nøkkelen til vår suksess var et forskudd i vår flytende microjet teknologi som gjør det mulig for oss å oppnå en rask blanding av vår reaktantene, bikarbonat og saltsyre, og umiddelbar undersøkelse av kullsyre produkter,» Saykally sier.
For denne studien, han og hans gruppe har brukt en variant av XAS kalt Nær Kanten X-ray Absorpsjon Fin Struktur (NEXAFS) spektroskopi, en atom-spesifikk probe teknikk av både elektroniske strukturen av molekylet og dets lokale kjemiske miljø., NEXAFS er ideelt for å få detaljert karakterisering av hydrering vekselsvirkningene, men det har i stor grad vært begrenset til studier i gasser og faste stoffer på grunn av vanskeligheter med å jobbe med flytende prøver på et høyt vakuum. Ved å innlemme deres microjet teknologi i høy vakuum miljø av en synchrotron X-ray beamline, Saykally og hans gruppe er i stand til å utføre NEXAFS på flytende prøver.,
forskerne bak denne studien, sier at deres resultater er viktig for å forstå og modellere hvordan kjemisk likevekt mellom kullsyre og karbondioksid foregår i saltvann vannførende lag og andre foreslåtte karbon lagring av media. Det samme likevekt prosessen styrer åndedrett i levende organismer.
«Som kullsyre i både gass-og solid faser har vært relativt godt undersøkt, vår nye vann-løsning arbeid vil legge til rette for utvikling av detaljerte modeller for reversible gass-væske kjemi av karbondioksid,» Saykally sier.,
Denne forskningen ble støttet av DOE Office of Science.
Mer Informasjon
For mer om forskning av Richard Saykally gå her
For mer om forskning på David Prendergast gå her
