Các neutron phơi bày cấu trúc tinh thể của axit carbonic khó nắm bắt
Mọi người đều tin rằng họ biết điều đó, nhưng nó vẫn là một trong những bí mật lớn nhất trong hóa học: axit carbonic. Cho đến nay, chưa ai từng nhìn thấy cấu trúc phân tử của hợp chất được tạo thành từ hydro, oxy và carbon có công thức hóa học H2khí CO3. Hợp chất này phân hủy nhanh chóng—ít nhất là trên bề mặt Trái đất—thành nước và carbon dioxide hoặc phản ứng tạo thành hydro cacbonat, một chất cũng bị phân hủy.
Đó là thứ tạo ra bọt cho nước khoáng và rượu sâm panh."Bởi vì mọi người không tin vào những gì họ không thể nhìn thấy, sách hóa học thường cho rằng axit carbonic không tồn tại hoặc ít nhất là nó không thể được phân lập một cách chắc chắn tuyệt đối."Giáo sư Richard Dronskowski, giám đốc viện Hóa học Vô cơ tại RWTH Aachen cho biết.
Cùng với nhóm của mình tại RWTH và Viện Vật liệu Cao cấp Hoffmann (HIAM) ở Thâm Quyến, Trung Quốc, giờ đây ông đã thành công trong việc sản xuất axit cacbonic kết tinh và lần đầu tiên phân tích cấu trúc của nó. Vì vậy, đã đến lúc phải viết lại sách giáo khoa.
Các nhà nghiên cứu đã mất 8 năm để chứng minh sự tồn tại của hợp chất."Các tính toán dựa trên máy tính của chúng tôi ban đầu cho thấy rằng chúng tôi sẽ phải tạo ra nhiệt độ âm 100°C kết hợp với áp suất khoảng 20.000 atm để các tinh thể axit carbonic được hình thành từ nước và carbon dioxide. Vì vậy, chúng tôi phải thiết kế và chế tạo một thiết bị có thể chịu được những điều kiện khắc nghiệt này,"Dronskowski nói.
Các bức tường của ô đo lường, không lớn hơn một chai nước hoa, bao gồm một hợp kim được sản xuất đặc biệt. Một cửa sổ kim cương cho phép các nhà nghiên cứu nhìn vào bên trong. Trong tế bào này, hỗn hợp nước đóng băng và đá khô carbon dioxide phải chịu áp suất bằng một cái đe. Dưới những điều kiện khắc nghiệt này, các tinh thể thực sự hình thành.
Sử dụng neutron để nhìn rõ hơn
Để tìm hiểu thêm về thành phần và cấu trúc của các tinh thể, nhóm đã đưa tế bào đo lường đến FRM II ở Munich:"Đối với nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi cần chùm neutron,"Dronskowski nhớ lại.
"Tia X tương tác với các electron trong nguyên tử. Nhưng neutron tương tác với hạt nhân. Kết quả là, chúng có thể được sử dụng để làm cho các nguyên tử thậm chí rất nhẹ có thể nhìn thấy được, chẳng hạn như hydro, nguyên tử chỉ chứa một electron. Điều đó rất cần thiết đối với chúng tôi vì các tinh thể của chúng tôi có chứa hydro. Chúng ta phải biết vị trí của các nguyên tử hydro trong phân tử."
Để sử dụng chùm nơtron để nghiên cứu cấu trúc nguyên tử của tinh thể, cần có các dụng cụ đo cực nhạy như máy đo nhiễu xạ STRESS-SPEC. Nó được phát triển để đo hiệu ứng dịch chuyển của ứng suất trên mạng tinh thể. Đối với phép đo, một bộ đơn sắc được sử dụng để chọn một bước sóng cụ thể từ chùm neutron do lò phản ứng nghiên cứu FRM II phát ra.
Nhà nghiên cứu TUM và trưởng nhóm FRM II, Tiến sĩ Michael Hofmann, giải thích chùm tia đơn sắc này có thể được nhắm mục tiêu bằng cách sử dụng các khe đặc biệt để tập trung nó hoàn toàn vào bên trong ô đo."Điều này cho phép chúng tôi nghiên cứu khối lượng mẫu rất nhỏ ở độ phân giải cực cao. Đối với việc phân tích mẫu từ Aachen, mẫu có thể tích chỉ vài milimét khối, thật lý tưởng."
Khi chùm neutron đơn sắc chiếu vào một tinh thể, nó bị lệch do tương tác với các nguyên tử. Điều này tạo ra một hình ảnh nhiễu xạ mà từ đó có thể suy ra cấu trúc của mạng tinh thể—ít nhất là về mặt lý thuyết.
Câu đố về cấu trúc
"Về mặt thực tế, việc phân tích dữ liệu đo lường là một thách thức thực sự,"Dronskowski nói. Các nhà nghiên cứu đã mất hơn hai năm để xác định hàng nghìn khả năng cấu trúc bằng thuật toán của họ và kiểm tra chúng dựa trên kết quả thử nghiệm. Với cách tiếp cận này, cuối cùng họ đã thành công trong việc xác định cấu trúc của các tinh thể hình thành bên trong tế bào đo lường: Chúng thực sự bao gồm H2khí CO3 các phân tử liên kết với nhau bằng liên kết hydro, tạo thành cấu trúc có tính đối xứng thấp"một góc"kết cấu.
"Công việc của chúng tôi chủ yếu là nghiên cứu cơ bản: các nhà hóa học chỉ cần biết điều này—họ không thể tự giúp mình được. Nhưng bây giờ, khi chúng ta biết các điều kiện hình thành axit cacbonic, chúng ta có thể hình dung ra các ứng dụng thực tế,"Dronskowski nói.
Ví dụ, các nhà vũ trụ học phát hiện dấu vết của axit carbonic trên các hành tinh hoặc mặt trăng xa xôi sẽ có thể đưa ra kết luận về các điều kiện ở đó. Các kết quả cũng có thể thú vị đối với địa kỹ thuật: Ví dụ, giờ đây có thể tính toán khi nào các tinh thể axit carbonic sẽ hình thành khi carbon dioxide được đặt dưới áp suất cao trong điều kiện ẩm ướt dưới lòng đất.
Nghiên cứu đã được xuất bản trong chất vô cơ.
