Τα νετρόνια εκθέτουν την κρυσταλλική δομή του άπιαστου ανθρακικού οξέος
Όλοι πιστεύουν ότι το ξέρουν, αλλά παρέμεινε ένα από τα μεγαλύτερα μυστικά στη χημεία: το ανθρακικό οξύ. Μέχρι τώρα, κανείς δεν είχε δει ποτέ τη μοριακή δομή της ένωσης που αποτελείται από υδρογόνο, οξυγόνο και άνθρακα με τον χημικό τύπο H2CO 3. Η ένωση διασπάται γρήγορα —τουλάχιστον στην επιφάνεια της Γης— σε νερό και διοξείδιο του άνθρακα ή αντιδρά για να σχηματίσει όξινο ανθρακικό, μια ουσία που επίσης διασπάται.
Είναι αυτό που δίνει αφρισμό στο μεταλλικό νερό και τη σαμπάνια."Επειδή οι άνθρωποι δεν πιστεύουν σε αυτό που δεν μπορούν να δουν, τα βιβλία χημείας υποστηρίζουν γενικά ότι το ανθρακικό οξύ δεν υπάρχει ή τουλάχιστον ότι δεν μπορεί να απομονωθεί με απόλυτη βεβαιότητα,"λέει ο καθηγητής Ρίτσαρντ Ντρονσκόφσκι , διευθυντής του Ινστιτούτου Ανόργανης Χημείας στο RWTH Άαχεν .
Με την ομάδα του στο RWTH και το Χόφμαν Ινστιτούτο Για Προχωρημένος Υλικά (ΓΕΙΑ, ΕΙΜΑΙ ) στο Shenzhen της Κίνας, κατάφερε τώρα να παράγει κρυσταλλικό ανθρακικό οξύ και να αναλύσει τη δομή του για πρώτη φορά. Είναι λοιπόν καιρός να ξαναγράψουμε τα σχολικά βιβλία.
Οι ερευνητές χρειάστηκαν οκτώ χρόνια για να αποδείξουν την ύπαρξη της ένωσης."Οι υπολογισμοί μας που βασίστηκαν σε υπολογιστή έδειξαν αρχικά ότι θα έπρεπε να δημιουργήσουμε θερμοκρασίες μείον 100°C σε συνδυασμό με πίεση περίπου 20.000 ατμοσφαιρών για να σχηματιστούν κρύσταλλοι ανθρακικού οξέος από νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Έπρεπε λοιπόν να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε μια συσκευή που θα μπορούσε να αντέξει αυτές τις ακραίες συνθήκες,"λέει ο Ντρονσκόφσκι.
Τα τοιχώματα της κυψέλης μέτρησης, που δεν είναι μεγαλύτερα από ένα μπουκάλι αρώματος, αποτελούνται από ένα ειδικά παραγόμενο κράμα. Ένα διαμαντένιο παράθυρο επιτρέπει στους ερευνητές να δουν μέσα. Σε αυτό το κελί, ένα μείγμα παγωμένου νερού και ξηρού πάγου διοξειδίου του άνθρακα υποβάλλεται σε πίεση με ένα αμόνι. Κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες, στην πραγματικότητα σχηματίστηκαν κρύσταλλοι.
Χρησιμοποιώντας νετρόνια για να δείτε καλύτερα
Για να μάθει περισσότερα σχετικά με τη σύνθεση και τη δομή των κρυστάλλων, η ομάδα πήγε το κελί μέτρησης στο FRM II στο Μόναχο:"Για τις έρευνές μας, χρειαζόμασταν δέσμες νετρονίων,"θυμάται ο Ντρονσκόφσκι.
"Οι ακτίνες Χ αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια στα άτομα. Αλλά τα νετρόνια αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες. Ως αποτέλεσμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κάνουν ορατά ακόμη και πολύ ελαφριά άτομα, όπως το υδρογόνο, το οποίο περιέχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο. Αυτό ήταν απαραίτητο για εμάς γιατί οι κρύσταλλοι μας περιέχουν υδρογόνο. Έπρεπε να ξέρουμε πού βρίσκονται τα άτομα υδρογόνου στο μόριο."
Για να χρησιμοποιηθούν δέσμες νετρονίων για τη διερεύνηση της ατομικής δομής ενός κρυστάλλου, χρειάζονται εξαιρετικά ευαίσθητα όργανα μέτρησης όπως το περιθλασίμετρο ΣΤΡΕΣ -SPEC . Αναπτύχθηκε για τη μέτρηση των επιπτώσεων μετατόπισης των τάσεων στο κρυσταλλικό πλέγμα. Για τη μέτρηση, χρησιμοποιείται ένας μονοχρωμάτης για την επιλογή ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος από τη δέσμη νετρονίων που εκπέμπεται από τον ερευνητικό αντιδραστήρα FRM II .
Αυτή η μονόχρωμη δέσμη μπορεί να στοχευτεί χρησιμοποιώντας ειδικές σχισμές για να την εστιάσει εξ ολοκλήρου στο εσωτερικό της κυψέλης μέτρησης, εξηγεί ο ερευνητής του TUM και επικεφαλής της ομάδας FRM II , Δρ Μιχαήλ Hofmann :"Αυτό μας δίνει τη δυνατότητα να μελετήσουμε πολύ μικρούς όγκους δειγμάτων σε εξαιρετικά υψηλή ανάλυση. Για την ανάλυση του δείγματος από το Άαχεν, που είχε όγκο μόλις λίγα κυβικά χιλιοστά, ήταν ιδανικό."
Όταν η μονοχρωματική δέσμη νετρονίων προσκρούει σε έναν κρύσταλλο, εκτρέπεται μέσω της αλληλεπίδρασης με τα άτομα. Αυτό παράγει ένα σχέδιο περίθλασης από το οποίο μπορεί να συναχθεί η δομή του κρυσταλλικού πλέγματος — τουλάχιστον θεωρητικά.
Το παζλ της δομής
"Πρακτικά, η ανάλυση των δεδομένων μέτρησης ήταν μια πραγματική πρόκληση,"λέει ο Ντρονσκόφσκι. Οι ερευνητές χρειάστηκαν περισσότερα από δύο χρόνια για να εντοπίσουν χιλιάδες δομικές δυνατότητες με τους αλγόριθμούς τους και να τις ελέγξουν σε σχέση με τα πειραματικά αποτελέσματα. Με αυτήν την προσέγγιση, κατάφεραν τελικά να αναγνωρίσουν τη δομή των κρυστάλλων που σχηματίστηκαν στο εσωτερικό της κυψέλης μέτρησης: Αποτελούνται πράγματι από H2CO 3 ;μόρια που συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου, σχηματίζοντας μια χαμηλή συμμετρία"μονόκλινο"δομή.
"Η δουλειά μας ήταν πρωτίστως θεμελιώδης έρευνα: οι χημικοί πρέπει απλώς να το γνωρίζουν - δεν μπορούν να βοηθήσουν τον εαυτό τους. Αλλά τώρα, όπου γνωρίζουμε τις συνθήκες υπό τις οποίες σχηματίζεται το ανθρακικό οξύ, μπορούμε να φανταστούμε πρακτικές εφαρμογές,"λέει ο Ντρονσκόφσκι.
Για παράδειγμα, οι κοσμολόγοι που ανιχνεύουν ίχνη ανθρακικού οξέος σε μακρινούς πλανήτες ή φεγγάρια θα μπορούν να βγάλουν συμπεράσματα για τις συνθήκες εκεί. Τα αποτελέσματα μπορεί επίσης να είναι ενδιαφέροντα για τη γεωμηχανική: Για παράδειγμα, είναι τώρα δυνατό να υπολογιστεί πότε θα σχηματιστούν κρύσταλλοι ανθρακικού οξέος όταν το διοξείδιο του άνθρακα τοποθετηθεί υπό υψηλή πίεση υπό υγρές συνθήκες κάτω από το έδαφος.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο ;Ανόργανες ουσίες.
