Неутроните разкриват кристална структура на неуловима въглена киселина
Всички вярват, че го знаят, но това си остава една от най-големите тайни в химията: въглеродната киселина. Досега никой не беше виждал молекулярната структура на съединението, съставено от водород, кислород и въглерод с химическа формула H2CO 3. Съединението се разпада бързо - поне на повърхността на Земята - на вода и въглероден диоксид или реагира, за да образува хидроген карбонат, вещество, което също се разгражда.
Това е, което придава шум на минералната вода и шампанското."Тъй като хората не вярват в това, което не могат да видят, книгите по химия обикновено твърдят, че въглеродната киселина не съществува или поне че не може да бъде изолирана с абсолютна сигурност,"казва проф. Ричард Дронсковски, директор на института по неорганична химия в RWTH Аахен.
Със своя екип в RWTH и Хофман институт за Разширено Материали (ХИАМ ) в Шенжен, Китай, той вече успя да произведе кристална въглеродна киселина и да анализира нейната структура за първи път. Така че е време да пренапишем учебниците.
Изследователите отнеха осем години, за да докажат съществуването на съединението."Нашите компютърно базирани изчисления първоначално показаха, че ще трябва да създадем температури от минус 100°C, комбинирани с налягане от около 20 000 атмосфери, за да се образуват кристали на въглеродна киселина от вода и въглероден диоксид. Така че трябваше да проектираме и изградим апарат, който може да издържи на тези екстремни условия,"казва Дронсковски.
Стените на измервателната клетка, която е не по-голяма от бутилка за парфюм, се състоят от специално произведена сплав. Диамантен прозорец позволява на изследователите да видят вътре. В тази клетка смес от замръзнала вода и сух лед с въглероден диоксид се подлага на натиск с наковалня. При тези екстремни условия наистина се образуваха кристали.
Използване на неутрони за по-добро виждане
За да научи повече за състава и структурата на кристалите, екипът занесе измервателната клетка на FRM II в Мюнхен:"За нашите изследвания имахме нужда от неутронни лъчи,"спомня си Дронсковски.
"Рентгеновите лъчи взаимодействат с електроните в атомите. Но неутроните взаимодействат с ядрата. В резултат на това те могат да бъдат използвани, за да направят видими дори много леки атоми, като например водород, който съдържа само един електрон. Това беше от съществено значение за нас, защото нашите кристали съдържат водород. Трябваше да знаем къде са разположени водородните атоми в молекулата."
За да се използват неутронни лъчи за изследване на атомната структура на кристал, са необходими изключително чувствителни измервателни инструменти като дифрактометъра СТРЕС -СПЕЦ . Той е разработен за измерване на ефектите на изместване на напреженията върху кристалната решетка. За измерването се използва монохроматор за избор на специфична дължина на вълната от неутронния лъч, излъчван от изследователския реактор FRM II .
Този монохроматичен лъч може да бъде насочен с помощта на специални процепи, за да се фокусира изцяло върху вътрешността на измервателната клетка, обяснява изследователят на TUM и ръководител на групата FRM II д-р Майкъл Хофман:"Това ни позволява да изследваме много малки обеми проби с изключително висока разделителна способност. За анализа на пробата от Аахен, която имаше обем от само няколко кубически милиметра, беше идеална."
Когато монохроматизираният неутронен лъч удари кристал, той се отклонява чрез взаимодействие с атомите. Това създава дифракционна картина, от която може да се изведе структурата на кристалната решетка - поне теоретично.
Структурният пъзел
"На практика анализът на данните от измерванията беше истинско предизвикателство,"казва Дронсковски. Изследователите отнеха повече от две години, за да идентифицират хиляди структурни възможности с техните алгоритми и да ги проверят спрямо експерименталните резултати. С този подход те в крайна сметка успяха да идентифицират структурата на кристалите, които се образуваха във вътрешността на измервателната клетка: те наистина се състоят от H2CO 3 ;молекули, свързани с водородни връзки, образуващи ниска симетрия"моноклинала"структура.
"Нашата работа беше основно фундаментално изследване: химиците просто трябва да знаят това - те не могат да си помогнат. Но сега, когато знаем условията, при които се образува въглеродната киселина, можем да си представим практически приложения,"казва Дронсковски.
Например, космолози, които открият следи от въглеродна киселина на далечни планети или луни, ще могат да направят заключения за условията там. Резултатите може да са интересни и за геоинженерството: например, сега е възможно да се изчисли кога ще се образуват кристали на въглеродна киселина, когато въглеродният диоксид се постави под високо налягане при мокри условия под земята.
Изследването е публикувано в ;Неорганични.
