中子首次揭示了难以捉摸的碳酸的晶体结构

碳酸的存在长期以来一直是争论的主题：理论上是真实的，但实际上无法检测到。那是因为化合物在地球表面分解。在慕尼黑工业大学(TUM)的FRMII研究中子源工作的德中研究人员团队现已首次使碳酸分子的晶体结构可见。

每个人都相信他们知道它，但它仍然是化学中最大的秘密之一：碳酸。直到现在，还没有人知道由氢、氧和碳组成的化学式为H2CO3的化合物的分子结构。这种化合物会迅速分解——至少在地球表面——变成水和二氧化碳，或者反应形成碳酸氢盐，这种物质也会分解。

它是使矿泉水和香槟起泡的原因。“因为人们不相信他们看不到的东西，所以化学书籍通常声称碳酸不存在，或者至少不能绝对肯定地将其分离出来，”该研究所所长理查德·德隆斯科斯基教授说。亚琛工业大学无机化学。

他与位于中国深圳的RWTH和霍夫曼先进材料研究所(HIAM)的团队一起，现已成功生产结晶碳酸并首次分析其结构。所以是时候重写教科书了。

研究人员花了八年的时间来证明这种化合物的存在。“我们基于计算机的计算最初表明，我们必须创造负100°C的温度和大约20,000个大气压的压力才能由水和二氧化碳形成碳酸晶体。因此我们必须设计和制造一个设备可以承受这些极端条件，”Dronskowski说。

测量室的壁不比香水瓶大，由特制合金制成。钻石窗让研究人员可以看到内部。在这个细胞中，冷冻水和二氧化碳干冰的混合物受到砧座的压力。在这些极端条件下，晶体实际上形成了。

使用中子看得更清楚

为了更多地了解晶体的组成和结构，该团队将测量单元带到了慕尼黑的FRMII：“对于我们的研究，我们需要中子束，”Dronskowski回忆道。

“X射线与原子中的电子相互作用。但中子与原子核相互作用。因此，它们可以用来使非常轻的原子可见，例如氢，它只包含一个电子。这对于我们因为我们的晶体含有氢。我们必须知道氢原子在分子中的位置。”

要使用中子束研究晶体的原子结构，需要极其灵敏的测量仪器，例如STRESS-SPEC衍射仪。它的开发是为了测量应力对晶格的位移影响。为了进行测量，使用单色仪从FRMII研究反应堆发射的中子束中选择特定波长。

TUM研究员和FRMII小组负责人MichaelHofmann博士解释说，这种单色光束可以使用特殊的狭缝将其完全聚焦在测量单元的内部：“这使我们能够以极高的分辨率研究非常小的样本量。对于体积只有几立方毫米的亚琛样品的分析，这是理想的。”

当单色中子束撞击晶体时，它会通过与原子的相互作用而发生偏转。这会产生一个衍射图案，从中可以推断出晶格的结构——至少在理论上是这样。

结构之谜

“实际上，测量数据的分析是一个真正的挑战，”Dronskowski说。研究人员用了两年多的时间用他们的算法确定了数千种结构可能性，并将它们与实验结果进行了核对。通过这种方法，他们最终成功地确定了在测量单元内部形成的晶体结构：它们确实由通过氢键连接的H2CO3分子组成，形成低对称性“单斜”结构。

“我们的工作主要是基础研究：化学家只需要知道这一点——他们无法帮助自己。但现在，在我们知道碳酸形成的条件下，我们可以想象实际应用，”Dronskowski说。

例如，在遥远的行星或卫星上检测到碳酸痕迹的宇宙学家将能够对那里的条件得出结论。这些结果对于地球工程也可能很有趣：例如，现在可以计算出当二氧化碳在地下潮湿条件下处于高压下时何时会形成碳酸晶体。