นิวตรอนเปิดเผยโครงสร้างผลึกของกรดคาร์บอนิกที่เข้าใจยาก
ทุกคนเชื่อว่าพวกเขารู้ แต่ยังคงเป็นหนึ่งในความลับที่ใหญ่ที่สุดในวิชาเคมี นั่นคือกรดคาร์บอนิก จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครเคยเห็นโครงสร้างโมเลกุลของสารประกอบที่ประกอบด้วยไฮโดรเจน ออกซิเจน และคาร์บอนที่มีสูตรเคมี H2บจก3. สารประกอบจะแตกตัวอย่างรวดเร็ว—อย่างน้อยก็ที่พื้นผิวโลก—เป็นน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ หรือทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างไฮโดรเจนคาร์บอเนต ซึ่งเป็นสารที่แตกตัวเช่นกัน
เป็นสิ่งที่ให้ฟองกับน้ำแร่และแชมเปญ"เนื่องจากผู้คนไม่เชื่อในสิ่งที่มองไม่เห็น หนังสือเคมีมักอ้างว่าไม่มีกรดคาร์บอนิกหรืออย่างน้อยก็ไม่สามารถแยกได้อย่างแน่นอน"ศ . ริชาร์ด ดรอนสคาวสกี้ ผู้อำนวยการสถาบัน อนินทรีย์ เคมี แห่ง RWTH อาเคิน กล่าว
ด้วยทีมงานของเขาที่ RWTH และ ฮอฟมันน์ สถาบัน สำหรับ ขั้นสูง วัสดุ (เฮียม ) ในเมืองเซินเจิ้น ประเทศจีน เขาประสบความสำเร็จในการผลิตกรดคาร์บอนิกที่เป็นผลึกและวิเคราะห์โครงสร้างของมันเป็นครั้งแรก ดังนั้นถึงเวลาที่จะต้องเขียนหนังสือเรียนใหม่
นักวิจัยใช้เวลาแปดปีในการพิสูจน์การมีอยู่ของสารประกอบ"การคำนวณโดยใช้คอมพิวเตอร์ของเราในขั้นต้นแสดงให้เห็นว่าเราจะต้องสร้างอุณหภูมิติดลบ 100°C รวมกับความดันบรรยากาศประมาณ 20,000 เพื่อให้ผลึกกรดคาร์บอนิกเกิดขึ้นจากน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ เราจึงต้องออกแบบและสร้างเครื่องมือที่สามารถทนต่อสภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ได้"ดรอนสคาวสกี้ กล่าว
ผนังของเซลล์ตรวจวัดซึ่งไม่ใหญ่ไปกว่าขวดน้ำหอม ประกอบด้วยโลหะผสมที่ผลิตขึ้นเป็นพิเศษ หน้าต่างเพชรช่วยให้นักวิจัยมองเห็นภายในได้ ในเซลล์นี้ ส่วนผสมของน้ำแช่แข็งและน้ำแข็งแห้งคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกกดดันด้วยทั่ง ภายใต้สภาวะที่รุนแรงเหล่านี้ ผลึกเกิดขึ้นจริง
ใช้นิวตรอนเพื่อให้มองเห็นได้ดีขึ้น
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับองค์ประกอบและโครงสร้างของผลึก ทีมงานได้นำเซลล์การวัดไปที่ FRM ครั้งที่สอง ในมิวนิค:"สำหรับการสืบสวนของเรา เราต้องการลำแสงนิวตรอน"นึกถึง ดรอนสคาวสกี้
"รังสีเอกซ์ทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนในอะตอม แต่นิวตรอนทำปฏิกิริยากับนิวเคลียส เป็นผลให้สามารถใช้เพื่อทำให้อะตอมที่เบามากสามารถมองเห็นได้ เช่น ไฮโดรเจน ซึ่งมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว นั่นเป็นสิ่งสำคัญสำหรับเราเพราะคริสตัลของเรามีไฮโดรเจน เราต้องรู้ว่าอะตอมของไฮโดรเจนอยู่ที่ใดในโมเลกุล"
หากต้องการใช้ลำแสงนิวตรอนเพื่อตรวจสอบโครงสร้างอะตอมของคริสตัล จำเป็นต้องใช้เครื่องมือวัดที่มีความไวสูงมาก เช่น เครื่องวัดการเลี้ยวเบน ความเครียด -ข้อมูลจำเพาะ ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อตรวจวัดผลกระทบการกระจัดของความเค้นบนโครงตาข่ายคริสตัล สำหรับการวัด จะใช้โมโนโครมาเตอร์เพื่อเลือกความยาวคลื่นเฉพาะจากลำแสงนิวตรอนที่ปล่อยออกมาจากเครื่องปฏิกรณ์วิจัย FRM ครั้งที่สอง
ลำแสงสีเดียวนี้สามารถเล็งโดยใช้ช่องพิเศษเพื่อโฟกัสไปที่ด้านในของเซลล์การวัดทั้งหมด นักวิจัยของ ตั้ม และหัวหน้ากลุ่ม FRM ครั้งที่สอง อธิบาย ดร . ไมเคิล ฮอฟมันน์ :"สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถศึกษาปริมาณตัวอย่างที่น้อยมากด้วยความละเอียดสูงมาก เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์ตัวอย่างจาก อาเคิน ซึ่งมีปริมาตรเพียงไม่กี่ลูกบาศก์มิลลิเมตร"
เมื่อลำแสงนิวตรอนที่มีสีเดียวตกกระทบคริสตัล มันจะถูกหักเหผ่านอันตรกิริยากับอะตอม สิ่งนี้สร้างรูปแบบการเลี้ยวเบนซึ่งสามารถอนุมานโครงสร้างของตาข่ายคริสตัลได้ - อย่างน้อยก็ในทางทฤษฎี
ปริศนาโครงสร้าง
"ในทางปฏิบัติ การวิเคราะห์ข้อมูลการวัดถือเป็นความท้าทายอย่างแท้จริง"ดรอนสคาวสกี้ กล่าว นักวิจัยใช้เวลากว่าสองปีในการระบุความเป็นไปได้ทางโครงสร้างนับพันด้วยอัลกอริธึมของพวกเขา และตรวจสอบกับผลการทดลอง ด้วยวิธีการนี้ ในที่สุดพวกเขาก็ประสบความสำเร็จในการระบุโครงสร้างของผลึกที่ก่อตัวขึ้นภายในเซลล์การวัด: แท้จริงแล้วประกอบด้วย H2บจก3 ;โมเลกุลที่เชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจนทำให้เกิดความสมมาตรต่ำ"โมโนคลีน"โครงสร้าง.
"งานของเราคือการวิจัยขั้นพื้นฐานเป็นหลัก: นักเคมีจำเป็นต้องรู้สิ่งนี้—พวกเขาไม่สามารถช่วยเหลือตัวเองได้ แต่ตอนนี้ เมื่อเราทราบสภาวะที่กรดคาร์บอนิกก่อตัวขึ้น เราสามารถจินตนาการถึงการใช้งานจริง"ดรอนสคาวสกี้ กล่าว
ตัวอย่างเช่น นักจักรวาลวิทยาที่ตรวจพบร่องรอยของกรดคาร์บอนิกบนดาวเคราะห์หรือดวงจันทร์อันไกลโพ้นจะสามารถหาข้อสรุปเกี่ยวกับสภาวะที่นั่นได้ ผลลัพธ์อาจน่าสนใจสำหรับวิศวกรรมธรณี ตัวอย่างเช่น ขณะนี้สามารถคำนวณได้ว่าเมื่อใดที่ผลึกกรดคาร์บอนิกจะก่อตัวขึ้นเมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ถูกวางไว้ภายใต้ความดันสูงภายใต้สภาวะที่เปียกชื้นใต้พื้นดิน
งานวิจัยตีพิมพ์ใน ;อนินทรีย์.
