تعرض النيوترونات التركيب البلوري لحمض الكربونيك المراوغ
يعتقد الجميع أنهم يعرفون ذلك ، لكنه ظل أحد أكبر الأسرار في الكيمياء: حمض الكربونيك. حتى الآن ، لم ير أحد أبدًا التركيب الجزيئي للمركب المكون من الهيدروجين والأكسجين والكربون بالصيغة الكيميائية H2كو3. يتحلل المركب بسرعة - على الأقل على سطح الأرض - إلى ماء وثاني أكسيد الكربون أو يتفاعل ليشكل كربونات الهيدروجين ، وهي مادة تتحلل أيضًا.
هو ما يعطي المياه المعدنية والشمبانيا أزورًا."لأن الناس لا يؤمنون بما لا يمكنهم رؤيته ، تزعم كتب الكيمياء عمومًا أن حمض الكربونيك غير موجود أو على الأقل أنه لا يمكن عزله بيقين مطلق ،"يقول البروفيسور ريتشارد درونسكوفسكي ، مدير معهد الكيمياء غير العضوية في RWTH آخن .
مع فريقه في RWTH ومعهد هوفمان للمواد المتقدمة (مرحبا انا ) في شنتشن ، الصين ، نجح الآن في إنتاج حمض الكربونيك البلوري وتحليل هيكله لأول مرة. لذا حان الوقت لإعادة كتابة الكتب المدرسية.
استغرق الباحثون ثماني سنوات لإثبات وجود المركب."أظهرت حساباتنا المستندة إلى الكمبيوتر في البداية أنه سيتعين علينا إنشاء درجات حرارة تقل عن 100 درجة مئوية مع ضغط يبلغ حوالي 20 ألف ضغط جوي حتى تتشكل بلورات حمض الكربونيك من الماء وثاني أكسيد الكربون. لذلك كان علينا تصميم وبناء جهاز يمكنه تحمل هذه الظروف القاسية ،"يقول درونسكووسكي .
تتكون جدران خلية القياس ، التي لا يزيد حجمها عن زجاجة عطر ، من سبيكة مُنتجة خصيصًا. نافذة ماسية تسمح للباحثين برؤية الداخل. في هذه الخلية ، يتعرض خليط من الماء المتجمد وثاني أكسيد الكربون للثلج الجاف للضغط بالسندان. في ظل هذه الظروف القاسية ، تشكلت البلورات بالفعل.
استخدام النيوترونات لرؤية أفضل
لمعرفة المزيد حول تكوين وهيكل البلورات ، أخذ الفريق خلية القياس إلى FRM ثانيًا في ميونيخ:"من أجل تحقيقاتنا ، احتجنا إلى أشعة نيوترونية ،"يتذكر درونسكووسكي .
"تتفاعل الأشعة السينية مع الإلكترونات في الذرات. لكن النيوترونات تتفاعل مع النوى. نتيجة لذلك ، يمكن استخدامها لجعل الذرات الخفيفة جدًا مرئية ، مثل الهيدروجين ، الذي يحتوي على إلكترون واحد فقط. كان ذلك ضروريًا بالنسبة لنا لأن بلوراتنا تحتوي على الهيدروجين. كان علينا أن نعرف مكان وجود ذرات الهيدروجين في الجزيء."
لاستخدام حزم النيوترونات لفحص التركيب الذري للبلورة ، هناك حاجة إلى أدوات قياس حساسة للغاية مثل مقياس حيود ضغط -المواصفات . تم تطويره لقياس تأثيرات الإزاحة للضغوط على الشبكة البلورية. للقياس ، يتم استخدام أحادي اللون لتحديد طول موجي معين من شعاع النيوترون المنبعث من مفاعل البحث FRM ثانيًا .
يمكن توجيه هذه الحزمة أحادية اللون باستخدام شقوق خاصة لتركيزها بالكامل على الجزء الداخلي لخلية القياس ، كما يوضح الباحث في توم وقائد مجموعة FRM ثانيًا الدكتور مايكل هوفمان:"يتيح لنا ذلك دراسة أحجام عينات صغيرة جدًا بدقة عالية للغاية. لتحليل العينة من آخن ، التي كان حجمها بضعة ملليمترات مكعبة ، كانت مثالية."
عندما تصطدم الحزمة النيوترونية أحادية اللون بلورة ، فإنها تنحرف من خلال التفاعل مع الذرات. ينتج عن هذا نمط حيود يمكن من خلاله استنتاج بنية الشبكة البلورية - على الأقل من الناحية النظرية.
لغز الهيكل
"من الناحية العملية ، كان تحليل بيانات القياس يمثل تحديًا حقيقيًا ،"يقول درونسكووسكي . استغرق الباحثون أكثر من عامين لتحديد آلاف الاحتمالات الهيكلية باستخدام خوارزمياتهم ومقارنتها بالنتائج التجريبية. مع هذا النهج ، نجحوا في النهاية في تحديد بنية البلورات التي تشكلت في داخل خلية القياس: إنها تتكون بالفعل من H2كو3&نبسب ;جزيئات مرتبطة بروابط هيدروجينية ، وتشكل تناظرًا منخفضًا"أحادي الخط"بناء.
"كان عملنا في الأساس بحثًا أساسيًا: يحتاج الكيميائيون فقط إلى معرفة هذا - لا يمكنهم مساعدة أنفسهم. لكن الآن ، حيث نعرف الظروف التي يتشكل فيها حمض الكربونيك ، يمكننا تخيل تطبيقات عملية ،"يقول درونسكووسكي .
على سبيل المثال ، سيتمكن علماء الكونيات الذين يرصدون آثار حمض الكربونيك على الكواكب أو الأقمار البعيدة من استخلاص استنتاجات حول الظروف هناك. قد تكون النتائج أيضًا مثيرة للاهتمام بالنسبة للهندسة الجيولوجية: على سبيل المثال ، أصبح من الممكن الآن حساب متى تتشكل بلورات حمض الكربونيك عند وضع ثاني أكسيد الكربون تحت ضغط عالٍ في ظل ظروف رطبة تحت الأرض.
تم نشر البحث في&نبسب ;مواد غير عضوية.
