Il sistema dei carbonati della natura, la chimica dinamica che coinvolge l'anidride carbonica (CO2), carbonato (CO32-), bicarbonato (HCO3-), e acido carbonico (H2CO3), è una componente vitale della biosfera. Carbonato, bicarbonato, e l'acido carbonico emergono quando l'anidride carbonica atmosferica si dissolve negli oceani, che è il più grande pozzo per questo gas serra. I ricercatori sono interessati a comprendere meglio il sistema dei carbonati per aiutare potenzialmente a facilitare gli schemi di sequestro del carbonio, soprattutto con minerali che legano il carbonio, per contribuire a mitigare i cambiamenti climatici. Il sistema dei carbonati è anche centrale per i sistemi di respirazione biologica, un altro motivo per cui i ricercatori sono interessati a questa chimica.

Recentemente, un gruppo di chimici dell'Università della California, Berkeley ha collaborato con gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) e ha fatto scoperte rivoluzionarie sul comportamento delle specie di carbonato sulle superfici di acqua salata, come quello dell'oceano. Riferiscono i loro risultati questa settimana in The Giornale di Fisica Chimica , da AIP Publishing.

Secondo uno degli autori dell'articolo, Richard Saykally, professore di chimica dell'Università di Berkeley, una forte motivazione per questa ricerca è stata la comprensione dei processi chimici coinvolti nel sequestro del carbonio. Hanno scoperto che mentre l'acido carbonico neutro era più pesantemente presente in superficie, come previsto, lo ione carbonato più carico era più abbondante del bicarbonato più debole.

"Vogliamo in generale migliorare la nostra comprensione del ciclo globale del carbonio, " Saykally ha detto. "Gli aspetti di questo ciclo su cui ci siamo concentrati iniziano con l'anidride carbonica nell'atmosfera che si dissolve in acqua salata, seguito da una chimica molto interessante."

L'anidride carbonica viene catturata dalla superficie dell'acqua e idratata per formare acido carbonico o bicarbonato, che può quindi ionizzare in bicarbonato o carbonato dove il carbonato può reagire con gli ioni di magnesio o calcio disciolti per formare calcare.

"Vogliamo conoscere tutti quei passaggi che vanno dall'anidride carbonica gassosa nell'atmosfera al calcare, " Saykally ha detto. "Il nostro obiettivo è comprendere tutti i dettagli in tutti i passaggi di quel processo".

Royce Lam, candidato al dottorato in chimica dell'Università di Berkeley, un coautore del documento che ha guidato gran parte della ricerca, voleva basarsi su precedenti esami della struttura di idratazione delle specie del sistema carbonico, concentrandosi sulle abbondanze relative di specie carbonatiche sulla superficie del liquido.

Collaborando con il Dr. Hendrik Bluhm di LBNL, Lam e co-autori hanno utilizzato la linea di luce della spettroscopia di fotoemissione a pressione ambiente (APPES) (11.0.2) presso il sincrotrone Advanced Light Source presso LBNL, per condurre misurazioni di spettroscopia di fotoemissione a raggi X (XPS), un modo per sondare la composizione molecolare dei materiali utilizzando un intenso raggio di raggi X ad alta energia. Il sistema XPS ha permesso loro di sondare diversi aspetti del sistema dei carbonati a cui prima non potevano accedere.

"La particolarità dell'XPS è che ci consente di sondare a diverse profondità nella superficie dell'acqua, " Ha detto Lam. "Questa è una delle poche linee di luce al mondo che può fare questa classe di esperimenti sui liquidi".

Per i campioni, Lam soluzioni combinate delle specie carbonatiche e acido cloridrico, che casualmente somigliava al sistema oceanico. Con un dispositivo a microgetto liquido, i ricercatori hanno iniettato questi campioni in una camera a vuoto e li hanno sondati a più energie dei raggi X per dedurre le abbondanze relative delle specie di carbonato dagli elettroni fotoemessi.

Alla superficie del liquido, sia il carbonato che l'acido carbonico erano più abbondanti del biocarbonato. La sorpresa più significativa è stata che il carbonato più carico era più abbondante in superficie rispetto al bicarbonato meno carico, che è in conflitto con le aspettative dei modelli teorici esistenti.

Ciò solleva una domanda importante su dove potrebbe muoversi il bicarbonato nel sistema, con la possibilità che il carbonato possa essere "accoppiamento ionico" con il sodio, cambiando la chimica, e facendo sì che il bicarbonato si sposti a profondità inferiori.

"Stiamo ancora lavorando sulla teoria e speriamo che questo documento stimolerà ulteriori discussioni teoriche che potrebbero effettivamente fornire intuizioni definitive su ciò che sta accadendo qui, " disse Lam.

Lam spera che questa ricerca porterà anche a una ricerca più diretta sulle possibilità di sequestro del carbonio.

"Così, il passo successivo sarebbe quello di esaminare ulteriormente l'accoppiamento ionico, e essenzialmente formazione di calcare o minerale, nello specifico, guardando l'interazione degli ioni calcio e magnesio con il carbonato, "Lam ha detto di una possibilità di sequestro del carbonio di cui ha discusso.

Saykally ritiene che questa ricerca sia collegata all'intero sistema della chimica dei carbonati acquosi, con applicazioni che vanno dal sequestro del carbonio alla ricerca biomedica.

"Per ottenere questo tipo di progressi, Credo che tu debba conoscere ogni dettaglio della chimica coinvolta in tutte quelle fasi del sistema acqua-carbonato." Disse Saykally. "È una chimica molto intricata con profonde implicazioni pratiche."