hoewel koolzuur slechts een fractie van een seconde bestaat voordat het overgaat in een mengsel van waterstof-en bicarbonaationen, is het van cruciaal belang voor zowel de gezondheid van de atmosfeer en het menselijk lichaam.
hoewel het weinig publiciteit oplevert, is koolzuur, de gehydrateerde vorm van kooldioxide, van cruciaal belang voor zowel de gezondheid van de atmosfeer als het menselijk lichaam., Maar omdat het slechts een fractie van een seconde bestaat voordat het verandert in een mengsel van waterstof-en bicarbonaationen, is koolzuur een raadsel gebleven. Een nieuwe studie van Berkeley Lab onderzoekers heeft waardevolle nieuwe informatie opgeleverd over koolzuur met belangrijke implicaties voor zowel geologische als biologische problemen.Richard Saykally, een chemicus bij Berkeley Lab ‘ s Chemical Sciences Division en hoogleraar chemie aan de University of California (UC) Berkeley, leidde een studie die de eerste X-ray absorptie spectroscopie (XAS) metingen produceerde voor waterig koolzuur., Deze XAS metingen, die werden verkregen bij Berkeley Lab ‘ s Advanced Light Source (ALS), waren in sterke overeenstemming met supercomputer voorspellingen verkregen bij het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
De combinatie van theoretische en experimentele resultaten levert nieuwe en gedetailleerde inzichten op in de hydratatie-eigenschappen van waterig koolzuur, wat de ontwikkeling van koolstofvastlegging en mitigatietechnologieën ten goede zou moeten komen en ons inzicht in de manier waarop koolzuur de pH van bloed reguleert, zou moeten verbeteren.,
“onze resultaten ondersteunen een gemiddeld hydratatiegetal van 3,17, waarbij de twee protonen van het zuur elk een sterke waterstofbinding doneren aan oplossend water, de carbonylzuurstof een sterke waterstofbinding van oplossend water accepteert, en de hydroxylzuurstofmoleculen zwakke waterstofverbindingen uit het water accepteren,” zegt Saykally. “XAS-gegevens moeten worden geïnterpreteerd door metingen te vergelijken met resultaten van een berekend spectrum, wat een serieuze uitdaging is. De sterke overeenkomst tussen onze berekende en geobserveerde röntgenspectra is een nieuwe en belangrijke prestatie.,”
De molecular dynamics simulations and first principles density functional theory method used to model and interpretate the XAS measures werden uitgevoerd onder leiding van David Prendergast, een stafwetenschapper in de Theory of Nanostructures Facility in Berkeley Lab ‘ s Molecular Foundry. De moleculaire gieterij, NERSC en de ALS, zijn allemaal DOE Office of Science national user facilities gehost in Berkeley Lab.,
” met behulp van ons eerste-principes moleculaire dynamica model en moleculaire dynamische simulaties, waren we in staat om te simuleren hoe koolzuur wordt opgelost door water, ” Prendergast zegt. “We hebben deze informatie vervolgens omgezet in een voorspeld XAS-absorptiespectrum dat direct kon worden vergeleken met experimentele metingen bij de ALS.”
(van links) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith en Royce Lam maakten deel uit van een team dat waardevol nieuw inzicht heeft verschaft in waterig koolzuur., (Foto door Roy Kaltschmidt)
Saykally en Prendergast hebben hun resultaten gepubliceerd in chemische fysische Letters. Het artikel is getiteld ” De hydratatiestructuur van waterig koolzuur uit röntgenabsorptiespectroscopie.”Saykally is de corresponderende auteur. Andere coauteurs, naast Prendergast, zijn Royce Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith en Anthony Rizzuto.
wanneer koolstofdioxide in water oplost, vormt ongeveer 1% daarvan koolzuur, dat vrijwel onmiddellijk losmaakt tot bicarbonaatanionen en protonen., Ondanks zijn vluchtige bestaan – ongeveer 300 nanoseconden – is koolzuur een cruciale tussensoort in het evenwicht tussen kooldioxide, water en vele mineralen. Het speelt een cruciale rol in de koolstofcyclus – de uitwisseling van kooldioxide tussen de atmosfeer en de oceanen – en in de buffering van bloed en andere lichaamsvloeistoffen. De korte levensduur van koolzuur in water heeft het zeer moeilijk gemaakt om te bestuderen.,Saykally en zijn onderzoeksgroep hebben deze hindernis overwonnen met de ontwikkeling van een unieke vloeibare microjet-mengtechnologie waarbij twee waterige monsters snel mengen en stromen door een fijn getipt mondstuk dat is gemaakt van gesmolten silica en een opening heeft van slechts enkele micrometers in diameter. De resulterende vloeistofstraal reist een paar centimeter in een vacuümkamer voordat het wordt doorsneden door een Röntgenstraal dan verzameld en gecondenseerd. Saykally en zijn groep hebben hun liquid microjet systeem opgezet op ALS Beamline 8.0.,1, een hoge flux undulator beamline die röntgenstralen produceert geoptimaliseerd voor XAS-studies.
” de sleutel tot ons succes was een vooruitgang in onze vloeibare microjet-technologie die ons in staat stelt om een snelle menging van onze reagentia, bicarbonaat en zoutzuur te bereiken, en onmiddellijke probing van de koolzuurproducten,” Saykally zegt.voor deze studie gebruikten hij en zijn groep een variatie van XAS genaamd Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (nexafs) spectroscopie, een atoom-specifieke sondetechniek van zowel de elektronische structuur van een molecuul als zijn lokale chemische omgeving., NEXAFS is ideaal voor het verkrijgen van gedetailleerde karakteriseringen van hydratatie interacties, maar het is grotendeels beperkt tot studies in gassen en vaste stoffen vanwege de moeilijkheden van het werken met vloeibare monsters in een hoog vacuüm. Door hun microjettechnologie te integreren in de hoogvacuümomgeving van een Synchrotron X-ray beamline, kunnen Saykally en zijn groep NEXAFS uitvoeren op vloeibare monsters.,
de onderzoekers achter deze studie zeggen dat hun resultaten belangrijk zijn voor het begrijpen en modelleren van hoe het chemische evenwicht tussen koolzuur en kooldioxide verloopt in zoutwaterlagen en andere voorgestelde koolstofopslagmedia. Hetzelfde evenwichtsproces regelt de ademhaling in levende organismen.”aangezien koolzuur zowel in de gas-als in de vaste fase vrij goed is bestudeerd, zal ons nieuwe wateroplossingswerk de ontwikkeling van gedetailleerde modellen voor de reversibele gas-vloeibare chemie van kooldioxide vergemakkelijken,” zegt Saykally.,
dit onderzoek werd ondersteund door het DOE Office of Science.
aanvullende informatie
voor meer informatie over het onderzoek van Richard Saykally ga hier
voor meer informatie over het onderzoek van David Prendergast ga hier
