Sciencemag.cz
Doporučujeme
Kupodivu krystalky H2CO3 dosud nikdo neviděl a nebylo jasné, zda mohou vůbec existovat – jinak řečeno, zda v případě této látky nejde o roztok oxidu uhličitého ve vodě nebo o (hydrogen)uhličitanové ionty. Německo-čínský tým pomocí neutronového zdroje FRM II na Technické univerzitě v Mnichově nyní ale příslušnou molekulu poprvé dokázal přímo zobrazit.
Richard Dronskowski z RWTH Aachen a jeho kolegové ovšem na projektu museli pracovat 8 let. „Naše výpočty ukazovaly, že bychom potřebovali teplotu asi –100 °C v kombinaci s tlakem kolem 20 000 atmosfér, aby se z vody a oxidu uhličitého vytvořily krystaly kyseliny uhličité. Museli jsme tedy navrhnout a postavit zařízení, které by těmto extrémním podmínkám odolalo,“ uvádí Dronskowski.
Stěny měřicí buňky o velikosti malé lahvičky byly vyrobeny ze speciálně vyrobené slitiny. Diamantové okénko umožňovalo výzkumníkům nahlížet dovnitř. V zařízení byla směs zmrzlé vody a suchého ledu vystavena tlaku pomocí kovadliny. Za těchto extrémních podmínek se skutečně vytvořily krystaly. To, že se jedná o kyselinu uhličitou, se pak podařilo potvrdit pomocí neutronových paprsků.
„Rentgenové paprsky interagují s elektrony v atomech, neutrony naproti tomu interagují s jádry. Díky tomu je lze použít ke zviditelnění i velmi lehkých atomů, například vodíku, který obsahuje pouze jediný elektron. To pro nás bylo zásadní, protože naše krystaly obsahují vodík. Museli jsme vědět, kde se atomy vodíku v molekule nacházejí,“ uvádějí podle průvodní tiskové zprávy autoři výzkumu.
K měření byl využit monochromátor, který vybírá konkrétní vlnovou délku z neutronového svazku emitovaného reaktorem FRM II. Tento monochromatický paprsek se pak pomocí speciálních štěrbin nasměroval tak, aby mířil přímo do vnitřku zařízení. Díky tomu bylo možné analyzovat i velmi malé objemy vzorků (k dispozici bylo pouze několik milimetrů krychlových) s extrémně vysokým rozlišením.
Když monochromatizovaný neutronový paprsek dopadne na krystal, dojde k jeho vychýlení v důsledku interakce s atomy. Vzniká tak difrakční obrazec, z něhož lze, alespoň teoreticky, odvodit strukturu krystalové mřížky. Výzkumníkům ovšem trvalo další více než dva roky, než pomocí svých algoritmů navrhli tisíce možných struktur a porovnali je s experimentálními výsledky. Díky tomuto přístupu se jim nakonec podařilo identifikovat strukturu krystalů, které se vytvořily ve vnitřním prostoru buňky: skutečně se skládaly z molekul H2CO3 spojených vodíkovými vazbami. Molekuly kyseliny uhličité krystalizovaly v jednoklonné soustavě s nízkou symetrií.
Celý výsledek je samozřejmě zajímavý čistě z hlediska teoretické chemie (poznámka: viz jak se v učebnicích obvykle píše, že kyselina uhličitá přímo neexistuje). Lze si ale představit i praktické aplikace. Jak uvádějí autoři výzkumu, pokud se nějakou analytickou metodou podaří např. molekulu identifikovat na exoplanetách, získáme tím konkrétnější představu o místních podmínkách (tlak, teplota…). Můžeme také přemýšlet/zkoumat, zda krystalky kyseliny uhličité nemohou existovat i za vysokých tlaků CO2 někde v hlubinách Země.
Sebastian Benz et al, The Crystal Structure of Carbonic Acid, Inorganics (2022). DOI: 10.3390/inorganics10090132
Zdroj: Technical University Munich / Phys.org
