chociaż kwas węglowy istnieje tylko ułamek sekundy, zanim zmieni się w mieszaninę jonów wodorowych i wodorowęglanowych, ma kluczowe znaczenie zarówno dla zdrowia atmosfery, jak i ludzkiego ciała.
chociaż zdobywa kilka nagłówków publicznych, kwas węglowy, uwodniona forma dwutlenku węgla, ma kluczowe znaczenie zarówno dla zdrowia atmosfery, jak i ludzkiego ciała., Jednak, ponieważ istnieje tylko ułamek sekundy, zanim przekształci się w mieszaninę jonów wodorowych i wodorowęglanowych, kwas węglowy pozostaje zagadką. Nowe badania przeprowadzone przez naukowców Berkeley Lab dostarczyły cennych nowych informacji na temat kwasu węglowego z ważnymi implikacjami zarówno dla problemów geologicznych, jak i biologicznych.
Richard Saykally, chemik z Berkeley Lab ' s Chemical Sciences Division i profesor chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim (UC) Berkeley, poprowadził badania, które wyprodukowały pierwsze pomiary absorpcyjnej spektroskopii rentgenowskiej (XAS) dla wodnego kwasu węglowego., Te pomiary XAS, które zostały uzyskane w Berkeley Lab ' s Advanced Light Source (ALS), były w silnej zgodzie z przewidywaniami superkomputerów uzyskanych w National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
połączenie wyników teoretycznych i doświadczalnych zapewnia nowy i szczegółowy wgląd w właściwości hydratacyjne wodnego kwasu węglowego, które powinny przynieść korzyści rozwojowi technologii sekwestracji i łagodzenia emisji dwutlenku węgla oraz poprawić nasze zrozumienie, w jaki sposób kwas węglowy reguluje pH krwi.,
„nasze wyniki potwierdzają średnią liczbę uwodnień 3.17 z dwoma protonami kwasu, z których każdy przekazuje silne wiązanie wodorowe do wody solwatującej, tlen karbonylowy przyjmuje silne wiązanie wodorowe z wody solwatującej, a cząsteczki tlenu hydroksylowego akceptują słabe wiązania wodorowe z wody”, mówi Saykally. „Dane XAS należy interpretować poprzez porównanie pomiarów z wynikami z obliczonego widma, co jest poważnym wyzwaniem. Silne porozumienie między naszymi obliczonymi i obserwowanymi widmami rentgenowskimi jest nowym i znaczącym osiągnięciem.,”
symulacje dynamiki molekularnej i pierwsze zasady gęstości functional theory metoda stosowana do modelowania i interpretacji pomiarów XAS zostały przeprowadzone pod kierownictwem Davida Prendergasta, pracownik naukowy w teorii nanostruktur obiektu w Berkeley Lab Molecular Foundry. Molecular Foundry, NERSC i ALS, są wszystkie Doe Office of Science national user facilities hosted at Berkeley Lab.,
„korzystając z naszego pierwszego modelu dynamiki molekularnej i symulacji dynamiki molekularnej, byliśmy w stanie symulować, w jaki sposób kwas węglowy jest solwatowany przez wodę”, mówi Prendergast. „Następnie przekształciliśmy te informacje w przewidywane widmo absorpcji XAS, które można bezpośrednio porównać z eksperymentalnymi pomiarami w ALS.”
(od lewej) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith i Royce Lam byli częścią zespołu, który dostarczył cennego nowego wglądu w Wodny kwas węglowy., (Fot. Roy Kaltschmidt)
Saykally i Prendergast opublikowali swoje wyniki w Chemical Physical Letters. Artykuł zatytułowany jest ” struktura uwodnienia wodnego kwasu węglowego z spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego.”Saykally jest autorem korespondencyjnym. Innymi współautorami, oprócz Prendergasta, są Royce Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith i Anthony Rizzuto.
gdy dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie około jednego procenta tworzy kwas węglowy, który prawie natychmiast dysocjuje do anionów wodorowęglanowych i protonów., Pomimo swojego przelotnego istnienia – około 300 nanosekund – kwas węglowy jest kluczowym gatunkiem pośrednim w równowadze między dwutlenkiem węgla, wodą i wieloma minerałami. Odgrywa kluczową rolę w cyklu węglowym-wymianie dwutlenku węgla między atmosferą a oceanami-oraz w buforowaniu krwi i innych płynów ustrojowych. Krótka żywotność kwasu węglowego w wodzie sprawiła, że badanie było niezwykle trudne.,
Saykally i jego grupa badawcza pokonali tę przeszkodę dzięki opracowaniu unikalnej technologii mieszania płynnego mikrojet, w której dwie próbki wodne szybko mieszają się i przepływają przez drobno zakończoną dyszę wykonaną ze stopionej krzemionki i wyposażoną w otwór o średnicy zaledwie kilku mikrometrów. Otrzymana wiązka cieczy przemieszcza się kilka centymetrów w komorze próżniowej, zanim zostanie przecięta wiązką promieniowania rentgenowskiego, a następnie zebrana i skondensowana. Saykally i jego grupa stworzyli system liquid microjet na linii als Beamline 8.0.,1, linia wiązki undulatora o wysokim strumieniu, która wytwarza wiązki rentgenowskie zoptymalizowane pod kątem badań XAS.
„kluczem do naszego sukcesu był postęp w naszej technologii microjet liquid, która umożliwia nam szybkie mieszanie naszych reagentów, kwasu wodorowęglanowego i chlorowodorowego oraz natychmiastowe sondowanie produktów kwasu węglowego”, mówi Saykally.
w tym badaniu on i jego grupa wykorzystali odmianę XAS o nazwie Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) spektroskopia, specyficzna dla atomu technika sondy zarówno struktury elektronicznej cząsteczki, jak i jej lokalnego środowiska chemicznego., NEXAFS jest idealny do uzyskiwania szczegółowych charakterystyk oddziaływań hydratacyjnych, jednak w dużej mierze został ograniczony do badań gazów i ciał stałych ze względu na trudności w pracy z ciekłymi próbkami w wysokiej próżni. Dzięki zastosowaniu technologii mikrojet w środowisku wysokiej próżni synchrotronowej wiązki promieniowania rentgenowskiego Saykally i jego grupa są w stanie wykonać NEXAFS na ciekłych próbkach.,
badacze stojący za tym badaniem twierdzą, że ich wyniki są ważne dla zrozumienia i modelowania, w jaki sposób równowaga chemiczna między kwasem węglowym i dwutlenkiem węgla przebiega w solnych warstwach wodonośnych i innych proponowanych nośnikach sekwestracji węgla. Ten sam proces równowagi reguluje oddychanie w organizmach żywych.
„ponieważ kwas węglowy zarówno w fazie gazowej, jak i stałej został dość dobrze zbadany, nasze nowe rozwiązania wodne ułatwią opracowanie szczegółowych modeli odwracalnej chemii gazowo-ciekłej dwutlenku węgla”, mówi Saykally.,
badania te były wspierane przez DOE Office of Science.
dodatkowe informacje
więcej o badaniach Richarda Saykally znajdziesz tutaj
więcej o badaniach Davida Prendergasta znajdziesz tutaj
