Neutron mendedahkan struktur kristal asid karbonik yang sukar difahami
Semua orang percaya bahawa mereka mengetahuinya, tetapi ia kekal sebagai salah satu rahsia terbesar dalam kimia: asid karbonik. Sehingga kini, tiada siapa yang pernah melihat struktur molekul sebatian yang terdiri daripada hidrogen, oksigen dan karbon dengan formula kimia H.2CO3. Kompaun terurai dengan cepat—sekurang-kurangnya di permukaan Bumi—menjadi air dan karbon dioksida atau bertindak balas membentuk hidrogen karbonat, bahan yang turut terurai.
Ia adalah apa yang memberikan fizz kepada air mineral dan champagne."Kerana orang tidak percaya pada apa yang mereka tidak boleh lihat, buku kimia secara amnya mendakwa bahawa asid karbonik tidak wujud atau sekurang-kurangnya ia tidak boleh diasingkan dengan kepastian mutlak,"kata Prof. Richard Dronskowski, pengarah institut Kimia Tak Organik di RWTH Aachen.
Bersama pasukannya di RWTH dan Institut Hoffmann untuk Bahan Termaju (HIAM) di Shenzhen, China, dia kini berjaya menghasilkan asid karbonik kristal dan menganalisis strukturnya buat kali pertama. Jadi sudah tiba masanya untuk menulis semula buku teks.
Para penyelidik mengambil masa lapan tahun untuk membuktikan kewujudan kompaun itu."Pengiraan berasaskan komputer kami pada mulanya menunjukkan bahawa kami perlu mencipta suhu tolak 100°C digabungkan dengan tekanan sekitar 20,000 atmosfera untuk kristal asid karbonik terbentuk daripada air dan karbon dioksida. Jadi kami terpaksa mereka bentuk dan membina radas yang boleh menahan keadaan yang melampau ini,"kata Dronskowski.
Dinding sel ukuran, yang tidak lebih besar daripada botol minyak wangi, terdiri daripada aloi yang dihasilkan khas. Tingkap berlian membolehkan penyelidik melihat bahagian dalam. Dalam sel ini, campuran air beku dan ais kering karbon dioksida tertakluk kepada tekanan dengan anvil. Di bawah keadaan yang melampau ini, kristal sebenarnya terbentuk.
Menggunakan neutron untuk melihat dengan lebih baik
Untuk mengetahui lebih lanjut tentang komposisi dan struktur kristal, pasukan membawa sel pengukuran ke FRM II di Munich:"Untuk penyiasatan kami, kami memerlukan rasuk neutron,"ingat Dronskowski.
"X-ray berinteraksi dengan elektron dalam atom. Tetapi neutron berinteraksi dengan nukleus. Akibatnya, ia boleh digunakan untuk membuat atom yang sangat ringan kelihatan, seperti hidrogen, yang mengandungi hanya satu elektron. Itu penting bagi kami kerana kristal kami mengandungi hidrogen. Kita perlu tahu di mana atom hidrogen terletak dalam molekul."
Untuk menggunakan rasuk neutron untuk menyiasat struktur atom hablur, instrumen pengukuran yang sangat sensitif diperlukan seperti difraktometer STRESS-SPEC. Ia dibangunkan untuk mengukur kesan anjakan tegasan pada kekisi kristal. Untuk pengukuran, monokromator digunakan untuk memilih panjang gelombang tertentu daripada pancaran neutron yang dipancarkan oleh reaktor penyelidikan FRM II.
Rasuk monokromatik ini boleh disasarkan menggunakan celah khas untuk memfokuskannya sepenuhnya pada bahagian dalam sel pengukuran, jelas penyelidik TUM dan ketua kumpulan FRM II Dr. Michael Hofmann:"Ini membolehkan kami mengkaji volum sampel yang sangat kecil pada resolusi yang sangat tinggi. Untuk analisis sampel dari Aachen, yang mempunyai isipadu hanya beberapa milimeter padu, ia adalah ideal."
Apabila rasuk neutron monokromatik mengenai kristal, ia terpesong melalui interaksi dengan atom. Ini menghasilkan corak pembelauan dari mana struktur kekisi kristal boleh disimpulkan-sekurang-kurangnya secara teori.
Teka-teki struktur
"Dari segi praktikal, analisis data pengukuran adalah cabaran sebenar,"kata Dronskowski. Para penyelidik mengambil masa lebih daripada dua tahun untuk mengenal pasti beribu-ribu kemungkinan struktur dengan algoritma mereka dan menyemaknya terhadap keputusan eksperimen. Dengan pendekatan ini, mereka akhirnya berjaya mengenal pasti struktur kristal yang terbentuk di bahagian dalam sel pengukuran: Mereka sememangnya terdiri daripada H2CO3 molekul yang dihubungkan oleh ikatan hidrogen, membentuk simetri rendah"monoklin"struktur.
"Kerja kami adalah penyelidikan asas terutamanya: ahli kimia hanya perlu mengetahui perkara ini—mereka tidak dapat menahan diri. Tetapi sekarang, di mana kita mengetahui keadaan di mana asid karbonik terbentuk, kita boleh membayangkan aplikasi praktikal,"kata Dronskowski.
Sebagai contoh, ahli kosmologi yang mengesan kesan asid karbonik pada planet atau bulan yang jauh akan dapat membuat kesimpulan tentang keadaan di sana. Hasilnya mungkin juga menarik untuk geoengineering: Sebagai contoh, kini boleh dikira apabila kristal asid karbonik akan terbentuk apabila karbon dioksida diletakkan di bawah tekanan tinggi di bawah keadaan basah di bawah tanah.
Penyelidikan itu diterbitkan dalam bahan bukan organik.
