中性子がとらえどころのない炭酸の結晶構造を明らかにする
誰もがそれを知っていると信じていますが、それは依然として化学における最大の秘密の 1 つである炭酸です。これまで、水素、酸素、炭素からなる化学式 H の化合物の分子構造を見た人は誰もいませんでした。2CO 3。この化合物は、少なくとも地表では水と二酸化炭素に急速に分解するか、反応して炭酸水素を生成します。炭酸水素も分解される物質です。
ミネラルウォーターやシャンパンに泡を与えるのはこの物質です。"人間は目に見えないものを信じないため、化学の本では一般に炭酸は存在しない、または少なくとも絶対的な確実性を持って単離することはできないと主張しています。"アーヘン工科大学無機化学研究所所長のリチャード・ドロンスコフスキー教授はこう語る。
彼は、RWTH と中国深センのホフマン先端材料研究所 (ヒアム ) のチームとともに、結晶性炭酸の製造とその構造の分析に初めて成功しました。だから、教科書を書き直す時期が来ている。
研究者らはこの化合物の存在を証明するのに8年かかった。"私たちのコンピューターベースの計算では、水と二酸化炭素から炭酸の結晶が形成されるためには、マイナス 100 ℃の温度と約 20,000 気圧の圧力を組み合わせる必要があることが当初示されました。したがって、私たちはこれらの極端な条件に耐えることができる装置を設計し、構築する必要がありました。"ドロンスコフスキー氏は言う。
香水瓶ほどの大きさの測定セルの壁は、特別に製造された合金で構成されています。ダイヤモンド窓により、研究者は内部を見ることができます。このセルでは、凍った水と二酸化炭素ドライアイスの混合物がアンビルで圧力をかけられます。このような極端な条件下では、実際に結晶が形成されました。
中性子を使ってよく見る
結晶の組成と構造についてさらに詳しく知るために、チームは測定セルをミュンヘンのFRM IIに持ち込みました。"調査には中性子線が必要でしたが、"ドロンスコフスキー氏は振り返る。
"X線は原子内の電子と相互作用します。しかし、中性子は原子核と相互作用します。その結果、電子を 1 つしか含まない水素など、非常に軽い原子も可視化するために使用できます。私たちの結晶には水素が含まれているため、これは私たちにとって不可欠でした。水素原子が分子内のどこに位置するかを知る必要がありました。"
中性子線を使用して結晶の原子構造を調べるには、ストレス -スペック 回折計などの非常に高感度な測定機器が必要です。結晶格子に対する応力の変位効果を測定するために開発されました。測定では、研究炉FRM IIから放出される中性子ビームから特定の波長を選択するためにモノクロメーターが使用されます。
この単色ビームは、特別なスリットを使用して測定セルの内部に完全に焦点を合わせることができます、とTUMの研究者でFRM IIグループリーダーのマイケル・ホフマン博士は説明します。"これにより、非常に少量のサンプルを非常に高い解像度で研究できるようになります。アーヘンのサンプルの分析には、体積がわずか数立方ミリメートルであり、これは理想的でした。"
単色化された中性子線が結晶に当たると、原子との相互作用によって偏向されます。これにより、少なくとも理論的には、結晶格子の構造を推定できる回折パターンが生成されます。
構造パズル
"実際のところ、測定データの分析は非常に困難でしたが、"ドロンスコフスキー氏は言う。研究者らは 2 年以上をかけて、アルゴリズムで何千もの構造の可能性を特定し、それを実験結果と照合しました。このアプローチにより、最終的に測定セルの内部で形成された結晶の構造を特定することに成功しました。結晶は確かに H で構成されています。2CO 3&注意 ;水素結合によって結合し、対称性の低い分子を形成する"単斜"構造。
"私たちの仕事は主に基礎研究でした。化学者はこれを知る必要があるだけで、自分たちではどうすることもできません。しかし今では、炭酸が生成する条件がわかったので、実用的な応用を想像できるようになりました。"ドロンスコフスキー氏は言う。
たとえば、遠く離れた惑星や衛星で微量の炭酸を検出した宇宙学者は、そこの状況について結論を導くことができるでしょう。この結果は、地球工学にとっても興味深いかもしれません。たとえば、地下の湿った状態で二酸化炭素を高圧下に置くと、炭酸の結晶がいつ形成されるかを計算できるようになりました。
この研究は、&注意 ;無機物。
