Raziskovalci odkrivajo nov vir mravljične kisline nad pacifiškimi, indijskimi oceani

The Fall Of John Kuckian: pt. 0 (Junij 2019).

Anonim

Vpogledi iz eksperimentov v nacionalnih laboratorijih Sandia, namenjenih za premikanje kemičnih sistemov daleč od ravnovesja, so mednarodni skupini raziskovalcev omogočili, da odkrijejo nov glavni vir mravljične kisline v pacifiškem in indijskem oceanu.

Razkritje je bilo objavljeno 3. julija v izdaji Nature Communications. Projekt je sodeloval med Sandia, Univerzo v New South Walesu, Univerzo Leeds, Univerzo Pacific in Univerzo Minnesota.

Poleg tega, da je najmanjša organska kislina in pomembna kemikalija za komunikacijo med mravljicami, je mravljična kislina najobsežnejša organska kislina v globalnem ozračju in glavni vir kisline v deževnici. Vendar pa globalni atmosferski modeli znatno premagujejo količino mravljične kisline v troposferi v primerjavi z neposrednimi meritvami. Ker je mravljična kislina na koncu ogljikovodikovih oksidacij, to podcenjuje klice pod vprašaj sedanje znanstveno razumevanje degradacije ogljikovodikov v ozračju. Bistveno je razumeti izvor te nepredvidljivosti, saj se natančna napovedi kakovosti zraka in vplivov aerosolov na podnebje zanašajo na dobro predstavitev kemije atmosferskih ogljikovodikov. Nove raziskave poudarjajo, kako neravnovesni procesi približujejo modele realnosti, vendar z nepričakovanim zasukom.

V navdihu s prejšnjim delom, ki ga je vodil raziskovalec Sandia Craig Taatjes v kemiji zgorevanja, je fizikalni kemik Sandia David Osborn in njegovi kolegi hipotezirali, da je vinilni alkohol lahko kemični predhodnik manjkajoče mravljične kisline.

Vendar pa je prišlo do naslednjega: vinilni alkohol je metastabilna oblika ali izomer skupne molekule acetaldehida. Pri ravnotežni in sobni temperaturi je za vsako 3, 3 milijona molekul acetaldehida samo ena molekula vinil alkohola. Nekaj ​​bi moralo potisniti to mešanico daleč od naravne sestave, da bi bilo dovolj molekul vinil alkohola, da bi lahko vplivale na koncentracijo mravljinčne kisline.

Odgovor na to uganko je prišel skozi Osbornova raziskovanja temeljnega znanstvenega Grand Challengea iz Urada za osnovne energetske znanosti DOE, ki je financirala delo: izkoristiti sisteme daleč od ravnovesja. Prisiljevanje kemičnega sistema, ki je daleč od ravnovesja, bi kemikom omogočilo, da raziščejo nenavadne molekularne konfiguracije, ki imajo lahko dragocene lastnosti za zajemanje energije in shranjevanje energije.

Osbornova ekipa je menila, da bi fotoni - še posebej ultravijolična svetloba - bili idealno orodje za poganjanje kemičnega sistema daleč od ravnovesja, vendar trki med molekulami neizogibno vodijo v obnovo ravnovesja. Iz tega razloga ni bilo jasno, ali bi pristop uporabljal pri atmosferskem tlaku, pri katerem se trk med molekulami pojavi približno 7 milijard krat na sekundo.

Nesmiselni pogoji ključno v novo kemijo

Z uporabo infrardeče spektroskopije za analizo molekul po obsevanju z ultravijolično svetlobo in s tem posnemanje sončne svetlobe, Osborn in njegova ekipa potrdita, da lahko valovne dolžine od 300-330 nanometrov preuredijo atome v acetaldehidu in jih pretvorijo v vinil alkohol. Poskusi so pokazali, da ko 100 molekul acetaldehida absorbirajo ultravijolične fotone v tem območju valovnih dolžin, se v povprečju štirje od njih pretvorijo v vinil alkohol. Proces traja tudi pri atmosferskem tlaku, tako da so molekule, ki so absorbirale svetlobo, premaknjene s faktorjem 100.000 stran od ravnovesne mešanice.

"To dramatično povečanje koncentracije vinil alkohola zdaj omogoča novo oksidacijsko kemijo, ki je ni mogoče iz acetaldehida", je dejal Osborn.

Njegova ekipa je domnevala, da bi lahko vinilni alkohol oksidirali, da bi dobili mravljično kislino, pot, ki jo podpirajo nedavni teoretični izračuni, ki napovedujejo konstanto hitrosti za ta proces. Z eksperimentalnimi in teoretičnimi podrobnostmi so lahko sodelavci Osbornja dodali to kemijo lokalnim in globalnim modelom zemeljskega ozračja, da bi ugotovili, kako bi lahko spremenila koncentracijo mravljične kisline.

"Ta nova kemija v modelu proizvede približno 3.4 milijarde ton dodatne mravljinčne kisline na leto, vendar to v svetovnem modelu pomeni le 7 odstotkov mravljične kisline, " je dejal Osborn. "To ni dovolj, da bi rešili skrivnost manjkajočih virov mravljične kisline, ki povzročajo, da se modeli ne strinjajo s poskusi. Vendar pa ta nova kemija predstavlja več kot 50 odstotkov celotne modelirane proizvodnje mravljične kisline nad pacifiškimi in indijskimi oceani, rezultat, ki je bil popolnoma nepričakovan in lahko razloži prej zmedo izvora mravljične kisline nad odprtimi oceani. "

Pomen potiska preteklost ravnovesja

Od leta 1999 je Osborn raziskoval mehanizme plinskih faznih kemijskih reakcij pri Sandiajevem raziskovalnem laboratoriju za izgorevanje. Visoke temperature pri praktičnem izgorevanju zagotavljajo plodno podlago za testiranje temeljnih vprašanj kemične reaktivnosti. Izboljšanje temeljnega razumevanja kemičnih sprememb neposredno obravnava cilje Oddelka za energijo, ki pokrivajo discipline, kot je sposobnost preobremenitve energije med električnimi, kemičnimi in kinetičnimi rezervoarji.

"Ta raziskava kaže, kako lahko fotoni daleč oddaljujejo od ravnotežja in ustvarjajo nove kemične poti, ki bi lahko omogočile večji nadzor nad energijskimi transformacijami, tudi v okoljih z mnogimi naključnimi trčenjami, ki si prizadevajo ponovno vzpostaviti ravnovesje", je dejal Osborn.

Raziskava tudi kaže, kako lahko osnovna znanost, financirana z DOE, nepričakovane učinke na druga področja, ki so pomembna za družbo, kot je kemijska atmosfera.

menu
menu