A neutronok feltárják a megfoghatatlan szénsav kristályszerkezetét
Mindenki azt hiszi, hogy ismeri, de ez maradt a kémia egyik legnagyobb titka: a szénsav. Eddig még senki sem látta a hidrogénből, oxigénből és szénből álló, H kémiai képletű vegyület molekuláris szerkezetét.2CO3. A vegyület gyorsan lebomlik – legalábbis a Föld felszínén – vízzé és szén-dioxiddá, vagy reakcióba lépve hidrogén-karbonátot képez, egy olyan anyagot, amely szintén lebomlik.
Ez adja a pezsgést az ásványvíznek és a pezsgőnek."Mivel az emberek nem hisznek abban, amit nem látnak, a kémiai könyvek általában azt állítják, hogy a szénsav nem létezik, vagy legalábbis nem izolálható teljes bizonyossággal."mondja Prof. Richard Dronskowski, az RWTH Aachen Szervetlen Kémiai Intézetének igazgatója.
Az RWTH-ban és a kínai Sencsenben található Hoffmann Institute for Advanced Materials (HIAM) csapatával most sikerült először kristályos szénsavat előállítania és szerkezetét elemezni. Ideje tehát átírni a tankönyveket.
A kutatóknak nyolc évbe telt, hogy bebizonyítsák a vegyület létezését."Számítógépes számításaink kezdetben azt mutatták, hogy mínusz 100 °C hőmérsékletet kell létrehoznunk körülbelül 20 000 atmoszféra nyomással, hogy szénsavkristályok képződjenek vízből és szén-dioxidból. Tehát meg kellett terveznünk és megépíteni egy olyan készüléket, amely képes ellenállni ezeknek a szélsőséges körülményeknek,"mondja Dronskowski.
A parfümös üvegnél nem nagyobb mérőcella falai speciálisan előállított ötvözetből állnak. A gyémánt ablak lehetővé teszi a kutatók számára, hogy belássanak. Ebben a cellában fagyott víz és szén-dioxid szárazjég keverékét üllővel nyomás alá helyezik. Ilyen szélsőséges körülmények között valóban kristályok keletkeztek.
Neutronok használata a jobb látás érdekében
Hogy többet megtudjon a kristályok összetételéről és szerkezetéről, a csapat a mérőcellát a müncheni FRM II-be vitte:"Vizsgálatainkhoz neutronnyalábokra volt szükségünk,"emlékszik vissza Dronskowski.
"A röntgensugarak kölcsönhatásba lépnek az atomokban lévő elektronokkal. De a neutronok kölcsönhatásba lépnek az atommagokkal. Ennek köszönhetően még a nagyon könnyű atomokat is láthatóvá lehet tenni, mint például a hidrogént, amely csak egyetlen elektront tartalmaz. Ez elengedhetetlen volt számunkra, mert kristályaink hidrogént tartalmaznak. Tudnunk kellett, hol helyezkednek el a hidrogénatomok a molekulában."
A neutronnyalábok felhasználásához egy kristály atomszerkezetének vizsgálatához rendkívül érzékeny mérőműszerekre van szükség, mint például a STRESS-SPEC diffraktométer. A kristályrácsra ható feszültségek elmozdulási hatásának mérésére fejlesztették ki. A méréshez monokromátorral választanak ki egy meghatározott hullámhosszt az FRM II kutatóreaktor által kibocsátott neutronnyalábból.
Ez a monokromatikus nyaláb speciális rések segítségével irányítható, hogy teljes mértékben a mérőcella belsejére fókuszáljon – magyarázza a TUM kutatója és az FRM II csoport vezetője, Dr. Michael Hofmann:"Ez lehetővé teszi, hogy nagyon kis mintamennyiségeket vizsgáljunk rendkívül nagy felbontás mellett. Az aacheni minta elemzéséhez, amelynek térfogata mindössze néhány köbmilliméter volt, ez ideális volt."
Amikor a monokromatikus neutronnyaláb egy kristályba ütközik, az atomokkal való kölcsönhatáson keresztül eltérül. Ez olyan diffrakciós mintát eredményez, amelyből a kristályrács szerkezetére – legalábbis elméletileg – következtetni lehet.
A szerkezeti rejtvény
"Gyakorlatilag a mérési adatok elemzése komoly kihívást jelentett,"mondja Dronskowski. A kutatóknak több mint két évbe telt, hogy több ezer strukturális lehetőséget azonosítsanak algoritmusaikkal, és összehasonlítsák azokat a kísérleti eredményekkel. Ezzel a megközelítéssel végül sikerült azonosítaniuk a mérőcella belsejében kialakult kristályok szerkezetét: valóban H-ból állnak.2CO3 hidrogénkötésekkel összekapcsolt molekulák, amelyek alacsony szimmetriát alkotnak"monoklin"szerkezet.
"Munkánk elsősorban alapkutatás volt: a kémikusoknak csak ezt kell tudniuk – nem tehetnek róla. De most, ahol ismerjük azokat a feltételeket, amelyek között szénsav képződik, el tudjuk képzelni a gyakorlati alkalmazásokat,"mondja Dronskowski.
Például azok a kozmológusok, akik szénsav nyomait észlelik távoli bolygókon vagy holdakon, következtetéseket vonhatnak le az ottani körülményekről. Az eredmények a geomérnökség szempontjából is érdekesek lehetnek: például most már kiszámítható, hogy mikor képződnek szénsavkristályok, amikor a szén-dioxidot nagy nyomás alá helyezik nedves körülmények között a talaj alatt.
A kutatás ben jelent meg Szervetlen anyagok.
