Neutrony ujawniają strukturę krystaliczną nieuchwytnego kwasu węglowego
Wszyscy uważają, że go znają, ale pozostaje on jedną z największych tajemnic chemii: kwas węglowy. Do tej pory nikt nigdy nie widział struktury molekularnej związku złożonego z wodoru, tlenu i węgla o wzorze chemicznym H2WSPÓŁ3. Związek rozkłada się szybko — przynajmniej na powierzchni Ziemi — na wodę i dwutlenek węgla lub reaguje, tworząc wodorowęglan, substancję, która również ulega rozkładowi.
To właśnie nadaje musu wodzie mineralnej i szampanowi."Ponieważ ludzie nie wierzą w to, czego nie mogą zobaczyć, książki chemiczne na ogół twierdzą, że kwas węglowy nie istnieje lub przynajmniej, że nie można go wyizolować z absolutną pewnością,"mówi prof. Richard Dronskowski, dyrektor Instytutu Chemii Nieorganicznej RWTH Aachen.
Wraz ze swoim zespołem z RWTH i Hoffmann Institute for Advanced Materials (HIAM) w Shenzhen w Chinach udało mu się wyprodukować krystaliczny kwas węglowy i po raz pierwszy przeanalizować jego strukturę. Czas więc przepisać podręczniki.
Naukowcy potrzebowali ośmiu lat, aby udowodnić istnienie związku."Nasze obliczenia komputerowe początkowo wykazały, że musielibyśmy wytworzyć temperaturę minus 100°C w połączeniu z ciśnieniem około 20 000 atmosfer, aby z wody i dwutlenku węgla powstały kryształy kwasu węglowego. Musieliśmy więc zaprojektować i zbudować urządzenie, które wytrzymałoby te ekstremalne warunki,"mówi Dronkowski.
Ściany celi pomiarowej, która nie jest większa od flakonu perfum, składają się ze specjalnie wyprodukowanego stopu. Diamentowe okno pozwala badaczom zajrzeć do środka. W tej celi mieszanina zamrożonej wody i suchego lodu z dwutlenku węgla jest poddawana ciśnieniu za pomocą kowadła. W tych ekstremalnych warunkach faktycznie powstały kryształy.
Używanie neutronów do lepszego widzenia
Aby dowiedzieć się więcej o składzie i strukturze kryształów, zespół zabrał celę pomiarową do FRM II w Monachium:"Do naszych badań potrzebowaliśmy wiązek neutronów,"wspomina Dronkowski.
"Promieniowanie rentgenowskie oddziałuje z elektronami w atomach. Ale neutrony oddziałują z jądrami. W rezultacie można je wykorzystać do uwidocznienia nawet bardzo lekkich atomów, takich jak wodór, który zawiera tylko jeden elektron. Było to dla nas niezbędne, ponieważ nasze kryształy zawierają wodór. Musieliśmy wiedzieć, gdzie w cząsteczce znajdują się atomy wodoru."
Aby wykorzystać wiązki neutronów do badania struktury atomowej kryształu, potrzebne są niezwykle czułe przyrządy pomiarowe, takie jak dyfraktometr STRESS-SPEC. Został opracowany do pomiaru wpływu przemieszczenia naprężeń na sieć krystaliczną. Do pomiaru służy monochromator, który wybiera określoną długość fali z wiązki neutronów emitowanej przez reaktor badawczy FRM II.
Tę monochromatyczną wiązkę można skierować za pomocą specjalnych szczelin, aby skupić ją całkowicie na wnętrzu celi pomiarowej, wyjaśnia badacz TUM i lider grupy FRM II, dr Michael Hofmann:"Dzięki temu możemy badać bardzo małe objętości próbek w niezwykle wysokiej rozdzielczości. Do analizy próbki z Akwizgranu, która miała objętość zaledwie kilku milimetrów sześciennych, nadawała się idealnie."
Kiedy monochromatyczna wiązka neutronów uderza w kryształ, jest odchylana w wyniku interakcji z atomami. Daje to wzór dyfrakcyjny, z którego można wywnioskować strukturę sieci krystalicznej - przynajmniej teoretycznie.
Zagadka struktury
"W praktyce analiza danych pomiarowych była prawdziwym wyzwaniem,"mówi Dronkowski. Naukowcy potrzebowali ponad dwóch lat, aby zidentyfikować tysiące możliwości strukturalnych za pomocą swoich algorytmów i porównać je z wynikami eksperymentów. Dzięki takiemu podejściu ostatecznie udało im się zidentyfikować strukturę kryształów, które utworzyły się we wnętrzu celi pomiarowej: rzeczywiście składają się z H2WSPÓŁ3 cząsteczki połączone wiązaniami wodorowymi, tworzące układ o niskiej symetrii"monoklina"Struktura.
"Nasza praca polegała przede wszystkim na badaniach podstawowych: chemicy po prostu muszą to wiedzieć — nie mogą się powstrzymać. Ale teraz, kiedy wiemy, w jakich warunkach powstaje kwas węglowy, możemy sobie wyobrazić praktyczne zastosowania,"mówi Dronkowski.
Na przykład kosmolodzy, którzy wykryją ślady kwasu węglowego na odległych planetach lub księżycach, będą mogli wyciągnąć wnioski na temat panujących tam warunków. Wyniki mogą być również interesujące dla geoinżynierii: na przykład można teraz obliczyć, kiedy kryształy kwasu węglowego utworzą się, gdy dwutlenek węgla zostanie umieszczony pod wysokim ciśnieniem w mokrych warunkach pod ziemią.
Badanie zostało opublikowane w nieorganiczne.
