Неутрони откривају кристалну структуру неухватљиве угљене киселине
Сви верују да то знају, али то је остала једна од највећих тајни у хемији: угљена киселина. До сада, нико никада није видео молекуларну структуру једињења сачињеног од водоника, кисеоника и угљеника са хемијском формулом Х2ЦО3. Једињење се брзо разлаже - барем на површини Земље - на воду и угљен-диоксид или реагује да формира хидрогенкарбонат, супстанцу која се такође разлаже.
То је оно што даје печење минералној води и шампањцу."Пошто људи не верују у оно што не могу да виде, књиге из хемије углавном тврде да угљена киселина не постоји или да се бар не може изоловати са апсолутном сигурношћу,"каже проф. Рицхард Дронсковски, директор Института за неорганску хемију на РВТХ Ахен.
Са својим тимом на РВТХ и Хоффманн институту за напредне материјале (ХИАМ) у Шенжену, Кина, сада је успео да произведе кристалну угљену киселину и по први пут анализира њену структуру. Дакле, време је за преписивање уџбеника.
Истраживачима је требало осам година да докажу постојање једињења."Наши прорачуни засновани на рачунару у почетку су показали да бисмо морали да створимо температуре од минус 100°Ц у комбинацији са притиском од око 20.000 атмосфера да би се кристали угљене киселине формирали од воде и угљен-диоксида. Тако да смо морали да дизајнирамо и направимо апарат који би могао да издржи ове екстремне услове,"каже Дронсковски.
Зидови мерне ћелије, која није већа од бочице парфема, састоје се од специјално произведене легуре. Дијамантски прозор омогућава истраживачима да виде унутра. У овој ћелији се мешавина смрзнуте воде и сувог леда угљен-диоксида подвргава притиску наковњем. У овим екстремним условима, кристали су се заправо формирали.
Коришћење неутрона за боље гледање
Да би сазнао више о саставу и структури кристала, тим је однео мерну ћелију у ФРМ ИИ у Минхену:"За наша истраживања били су нам потребни неутронски снопови,"подсећа Дронсковски.
"Рендгенски зраци ступају у интеракцију са електронима у атомима. Али неутрони ступају у интеракцију са језгрима. Као резултат, они се могу користити да учине видљивим чак и веома лаке атоме, као што је водоник, који садржи само један електрон. То је било од суштинског значаја за нас јер наши кристали садрже водоник. Морали смо да знамо где се атоми водоника налазе у молекулу."
Да би се користили неутронски снопови за истраживање атомске структуре кристала, потребни су изузетно осетљиви мерни инструменти као што је СТРЕСС-СПЕЦ дифрактометар. Развијен је за мерење ефеката померања напона на кристалну решетку. За мерење, монохроматор се користи за одабир специфичне таласне дужине из неутронског снопа који емитује истраживачки реактор ФРМ ИИ.
Овај монохроматски сноп може да се усмери помоћу посебних прореза како би се у потпуности фокусирао на унутрашњост мерне ћелије, објашњава истраживач ТУМ-а и вођа ФРМ ИИ групе, др. Мицхаел Хофманн:"Ово нам омогућава да проучавамо веома мале количине узорака у изузетно високој резолуцији. За анализу узорка из Ахена, који је имао запремину од само неколико кубних милиметара, био је идеалан."
Када монохроматизовани сноп неутрона удари у кристал, он се одбија кроз интеракцију са атомима. Ово производи дифракциони образац из којег се може закључити структура кристалне решетке — барем теоретски.
Слагалица о структури
"У практичном смислу, анализа мерних података била је прави изазов,"каже Дронсковски. Истраживачима је требало више од две године да идентификују хиљаде структуралних могућности са својим алгоритмима и провере их у односу на експерименталне резултате. Овим приступом, на крају су успели да идентификују структуру кристала који су се формирали у унутрашњости мерне ћелије: они се заиста састоје од Х2ЦО3 молекули повезани водоничним везама, формирајући ниску симетрију"моноклинал"структура.
"Наш рад је првенствено био фундаментално истраживање: хемичари ово само треба да знају — не могу си помоћи. Али сада, када знамо услове под којима се формира угљена киселина, можемо замислити практичне примене,"каже Дронсковски.
На пример, космолози који открију трагове угљене киселине на удаљеним планетама или месецима моћи ће да извуку закључке о тамошњим условима. Резултати би такође могли бити интересантни за геоинжењеринг: на пример, сада је могуће израчунати када ће се формирати кристали угљене киселине када се угљен-диоксид стави под високим притиском у влажним условима испод земље.
Истраживање је објављено у Неорганске.
