även om kolsyra existerar för endast en bråkdel av en sekund innan de ändras till en blandning av väte-och bikarbonatjoner, är det avgörande för både atmosfärens och människokroppens hälsa.
även om det ger få offentliga rubriker, kolsyra, den hydratiserade formen av koldioxid, är avgörande för både atmosfärens och människokroppens hälsa., Men eftersom det bara finns en bråkdel av en sekund innan det ändras till en blandning av väte-och bikarbonatjoner, har kolsyra förblivit en enigma. En ny studie av Berkeley Lab forskare har gett värdefull ny information om kolsyra med viktiga konsekvenser för både geologiska och biologiska problem.
Richard Saykally, en kemist med Berkeley Lab ’ s Chemical Sciences Division och en professor i kemi vid University of California (UC Berkeley, ledde en studie som producerade den första X-ray absorption spectroscopy (XAS) mätningar för vattenhaltiga kolsyra., Dessa XAS-mätningar, som erhölls vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), var i starkt samförstånd med superdatorprognoser som erhållits vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).
kombinationen av teoretiska och experimentella resultat ger nya och detaljerade insikter i hydratiseringsegenskaperna hos vattenhaltig kolsyra som bör gynna utvecklingen av kolbindningsteknik och mildrande teknik och förbättra vår förståelse för hur kolsyra reglerar blodets pH.,
”våra resultat stöder ett genomsnittligt hydratiseringsnummer på 3.17 med syrans två protoner som varje donerar en stark vätebindning för att lösa vatten, karbonylsyret som accepterar en stark vätebindning från lösande vatten och hydroxylsyremolekylerna som accepterar svaga vätebindningar från vattnet”, säger Saykally. ”XAS-data måste tolkas genom att man jämför mätningar med resultat från ett beräknat spektrum, vilket är en allvarlig utmaning. Det starka avtalet mellan vår beräknade och observerade röntgenspektra är en ny och betydande prestation.,”
de molekylära dynamiksimuleringarna och de första principerna densitet funktionell teorimetod som används för att modellera och tolka XAS-mätningarna utfördes under ledning av David Prendergast, en personalforskare i teorin om nanostrukturer anläggning vid Berkeley Labs molekylära gjuteri. Den Molekylära Gjuteri, NERSC och ALS, är alla DOE Office of Science nationella användaren faciliteter värd vid Berkeley Lab.,
”med hjälp av vår första-principer molekyldynamikmodell och molekylära dynamiska simuleringar kunde vi simulera hur kolsyra löses med vatten”, säger Prendergast. ”Vi konverterade sedan denna information till ett förutsagt XAS-absorptionsspektrum som kan jämföras direkt med experimentella mätningar vid ALS.”
(från vänster) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith och Royce Lam var en del av ett team som har gett värdefull ny inblick i vattenhaltig kolsyra., (Foto av Roy Kaltschmidt)
Saykally och Prendergast har publicerat sina resultat i kemiska fysiska bokstäver. Papperet heter ” hydratiseringsstrukturen av vattenhaltig kolsyra från Röntgenabsorptionsspektroskopi.”Saykally är motsvarande författare. Andra co-författare, förutom att Prendergast, Royce är Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith och Anthony Rizzuto.
när koldioxid löses upp i vatten bildar ungefär en procent av kolsyra, som nästan omedelbart dissocierar till bikarbonatanjoner och protoner., Trots sin flyktiga existens – cirka 300 nanosekunder – är kolsyra en avgörande mellanliggande art i jämvikten mellan koldioxid, vatten och många mineraler. Det spelar en avgörande roll i kolcykeln-utbytet av koldioxid mellan atmosfären och oceanerna – och i buffring av blod och andra kroppsvätskor. Den korta livslängden av kolsyra i vatten har gjort det extremt svårt att studera.,
Saykally och hans forskargrupp överträffade detta hinder med deras utveckling av en unik flytande mikrojetblandningsteknik där två vattenprover snabbt blandar och strömmar genom ett fint tippat munstycke som är tillverkat av smält kiseldioxid och har en öppning endast några mikrometer i diameter. Den resulterande vätskestrålen färdas några centimeter i en vakuumkammare innan den skärs av en röntgenstråle som sedan samlas in och kondenseras ut. Saykally och hans grupp har satt upp sitt flytande mikrojet-system på ALS Beamline 8.0.,1, en hög flux undulator beamline som producerar röntgenstrålar optimerade för XAS studier.
”nyckeln till vår framgång var ett framsteg i vår flytande mikrojet-teknik som gör det möjligt för oss att uppnå en snabb blandning av våra reaktanter, bikarbonat och saltsyra och omedelbar sondering av kolsyraprodukterna”, säger Saykally.
för denna studie använde han och hans grupp en variation av XAS som kallas Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) spektroskopi, en atomspecifik sondteknik av både den elektroniska strukturen hos en molekyl och dess lokala kemiska miljö., NEXAFS är idealisk för att erhålla detaljerade karakteriseringar av hydratiseringsinteraktioner, men det har i stor utsträckning varit begränsat till studier av gaser och fasta ämnen på grund av svårigheterna att arbeta med vätskeprover i ett högt vakuum. Genom att införliva sin mikrojet-teknik i högvakuummiljön i en synkrotronröntgenbeamlin, kan Saykally och hans grupp utföra NEXAFS på flytande prover.,
forskarna bakom denna studie säger att deras resultat är viktiga för att förstå och modellera hur den kemiska jämvikten mellan kolsyra och koldioxid fortskrider i saltvattensakviferer och andra föreslagna kolbindningsmedier. Samma jämviktsprocess styr andning i levande organismer.
”som kolsyra i både gas-och fasta faser har studerats ganska väl, kommer vårt nya vattenlösningsarbete att underlätta utvecklingen av detaljerade modeller för den reversibla gasvätskekemin av koldioxid”, säger Saykally. ,
denna forskning stöddes av DOE Office of Science.
ytterligare Information
För mer information om Richard Saykally forskning gå här
För mer information om David Prendergast forskning gå här
