Neutronen leggen de kristalstructuur van ongrijpbaar koolzuur bloot
Iedereen denkt het te kennen, maar het is een van de grootste geheimen in de chemie gebleven: koolzuur. Tot nu toe had niemand ooit de moleculaire structuur gezien van de verbinding bestaande uit waterstof, zuurstof en koolstof met de chemische formule H2CO3. De verbinding breekt snel af - althans aan het aardoppervlak - in water en koolstofdioxide of reageert om waterstofcarbonaat te vormen, een stof die ook afbreekt.
Het is wat het bruisen geeft aan mineraalwater en champagne."Omdat mensen niet geloven in wat ze niet kunnen zien, beweren scheikundeboeken over het algemeen dat koolzuur niet bestaat of in ieder geval niet met absolute zekerheid kan worden geïsoleerd."zegt prof. Richard Dronskowski, de directeur van het instituut voor anorganische chemie aan de RWTH Aachen.
Met zijn team aan de RWTH en het Hoffmann Institute for Advanced Materials (HIAM) in Shenzhen, China, is het hem nu gelukt om voor het eerst kristallijn koolzuur te produceren en de structuur ervan te analyseren. Het is dus tijd om de leerboeken te herschrijven.
De onderzoekers deden er acht jaar over om het bestaan van de verbinding te bewijzen."Onze computergebaseerde berekeningen toonden aanvankelijk aan dat we temperaturen van min 100 °C zouden moeten creëren in combinatie met een druk van ongeveer 20.000 atmosfeer om koolzuurkristallen te vormen uit water en koolstofdioxide. Dus moesten we een apparaat ontwerpen en bouwen dat bestand was tegen deze extreme omstandigheden,"zegt Dronskowski.
De wanden van de meetcel, die niet groter is dan een parfumflesje, bestaan uit een speciaal geproduceerde legering. Een diamantvenster stelt onderzoekers in staat om naar binnen te kijken. In deze cel wordt een mengsel van bevroren water en kooldioxide droogijs met een aambeeld onder druk gezet. Onder deze extreme omstandigheden vormden zich daadwerkelijk kristallen.
Neutronen gebruiken om beter te zien
Om meer te weten te komen over de samenstelling en structuur van de kristallen, nam het team de meetcel mee naar de FRM II in München:"Voor ons onderzoek hadden we neutronenstralen nodig,"herinnert Dronskowski zich.
"Röntgenstralen interageren met de elektronen in de atomen. Maar neutronen interageren met de kernen. Daardoor kunnen ze zelfs heel lichte atomen zichtbaar maken, zoals waterstof, dat maar één elektron bevat. Dat was voor ons essentieel omdat onze kristallen waterstof bevatten. We moesten weten waar de waterstofatomen zich in het molecuul bevinden."
Om met neutronenbundels de atomaire structuur van een kristal te onderzoeken, zijn uiterst gevoelige meetinstrumenten nodig, zoals de STRESS-SPEC diffractometer. Het is ontwikkeld om de verplaatsingseffecten van spanningen op het kristalrooster te meten. Voor de meting wordt een monochromator gebruikt om een specifieke golflengte te selecteren uit de neutronenbundel die wordt uitgezonden door de onderzoeksreactor FRM II.
Deze monochromatische bundel kan worden gericht met behulp van speciale spleten om hem volledig op het inwendige van de meetcel te richten, legt TUM-onderzoeker en FRM II-groepsleider Dr. Michael Hofmann uit:"Dit stelt ons in staat om zeer kleine monstervolumes met een extreem hoge resolutie te bestuderen. Voor de analyse van het monster uit Aken, dat een volume had van slechts enkele kubieke millimeters, was het ideaal."
Wanneer de monochromatische neutronenbundel een kristal raakt, wordt deze afgebogen door de interactie met de atomen. Dit levert een diffractiepatroon op waaruit de structuur van het kristalrooster kan worden afgeleid - in ieder geval theoretisch.
De structuurpuzzel
"Praktisch gezien was de analyse van de meetgegevens een echte uitdaging,"zegt Dronskowski. De onderzoekers hebben meer dan twee jaar nodig gehad om duizenden structurele mogelijkheden met hun algoritmen te identificeren en te toetsen aan de experimentele resultaten. Met deze aanpak slaagden ze er uiteindelijk in de structuur te identificeren van de kristallen die zich in het inwendige van de meetcel vormden: ze bestaan inderdaad uit H2CO3 moleculen verbonden door waterstofbruggen, die een lage symmetrie vormen"monoclinaal"structuur.
"Ons werk was in de eerste plaats fundamenteel onderzoek: scheikundigen moeten dit gewoon weten, ze kunnen er niets aan doen. Maar nu we de omstandigheden kennen waaronder koolzuur wordt gevormd, kunnen we ons praktische toepassingen voorstellen,"zegt Dronskowski.
Kosmologen die sporen van koolzuur op verre planeten of manen detecteren, kunnen bijvoorbeeld conclusies trekken over de omstandigheden daar. De resultaten kunnen ook interessant zijn voor geo-engineering: het is nu bijvoorbeeld mogelijk om te berekenen wanneer koolzuurkristallen zullen ontstaan als koolstofdioxide onder natte omstandigheden onder hoge druk onder de grond wordt gebracht.
Het onderzoek is gepubliceerd in Anorganische stoffen.
