Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hoher Druck und hohe Temperaturen machen Kohlensäure stabil

03.02.2016

MPIC-Forscher „zähmen“ reaktives Molekül bei hohem Druck – Bedeutung der Substanz für Erdsystem könnte bisher unterschätzt worden sein

Bisher wurde Kohlensäure (H2CO3) von der Wissenschaft eher stiefmütterlich behandelt und in Untersuchungen kaum berücksichtigt. Da Kohlensäure beim Kontakt mit Wasser in Sekundenbruchteilen reagiert, kommt es in der Natur nur in sehr geringen Mengen vor und wurde im geologischen Kontext in der Regel nicht näher betrachtet.


Einspannen der Diamantstempelzelle am Raman-Spektrometer: Janek Zeuschner (l.) und Hongbo Wang gelang es mithilfe dieses Hochdruckinstruments, stabile Kohlensäure herzustellen.

Anne Reuter

Forschern des Max-Planck-Instituts für Chemie gelang es nun aber, mithilfe einer neuen Untersuchungsmethode zu zeigen, dass Kohlensäure durch hohen Druck und bei gleichzeitigem Vorliegen hoher Temperaturen stabilisiert wird. Ihre Studie erschien kürzlich in dem Open Access Magazin „Scientific Reports“ der Nature Publishing Group.

Mithilfe einer Diamantstempelzelle und eines CO2-Lasers rekonstruierten die Mainzer Forscher Umweltbedingungen, die in rund 80 Kilometern Tiefe des Erdinnern vorliegen. Bei einem Druck von bis zu 9,1 Gigapascal (GPa) und Temperaturen von 1.200 °C (eine Hitze, wie an der Oberfläche eines Vulkans) untersuchten sie das Verhalten von CO2 und H2O.

Dabei entdeckte das Forscherteam, bestehend aus Wissenschaftlern der Abteilung Atmosphärenchemie und der Hochdruckforschungsgruppe unter Leitung von Mikhail Eremets, Erstaunliches: Ab einem Druck von 2,4 GPa und Temperaturen über 97 °C ist in flüssigem Wasser gelöste Kohlensäure stabil.

„Ursprünglich geplant war eine Messreihe zur Reaktivität von kohlenstoffhaltigen Fluiden mit unterschiedlichen Verhältnissen von Wasserstoff und Sauerstoff im Inneren der Erde, d. h. unter extrem hohem Druck“, erklärt Janek Zeuschner den Beginn der Studie, der als Doktorand des Max Planck Graduate Centers an diesem Projekt mitarbeitete. Um den Versuchsaufbau an einem verwandten System zu testen, wählten sie eines der am besten untersuchten aus: CO2 und H2O.

Wasser und Kohlendioxid sind jedoch unter den untersuchten Drücken bei Raumtemperatur fest. Da chemische Reaktionen in diesem Zustand nur sehr langsam ablaufen, erhitzten die Wissenschaftler die Probe mithilfe eines CO2-Lasers. Erstaunt stellten Sie schließlich fest, dass dabei ab Drücken über 2,4 GPa Kristalle in der Diamantstempelzelle entstanden waren.

Janek Zeuschner bemerkte als erster, welche Bedeutung die daraufhin angefertigten Raman- und Infrarotspektren haben könnten: die Bildung fester Kohlensäure. „Vorherige Studien hatten keine Hinweise geliefert, dass CO2 und H2O bei hohem Druck Kohlensäure in beträchtlichen Mengen bilden könnten“, erklärt Janek das Unerwartete an dieser Entdeckung. Weitere Experimente zeigten, dass die Kristalle sich bei niedrigeren Temperaturen in flüssigem Wasser auflösen, aber stabile Kohlesäuremoleküle in Lösung verbleiben und mehr davon entstehen, je höher die Lösung erwärmt wurde.

„An diesem Punkt wurde uns klar, dass, entgegen der gängigen Meinung, Kohlensäure tatsächlich ein ziemlich typisches Molekül in Tiefen von mehr als 80 km auf der Erde sein könnte. Denn im Innern der Erde liegen genau diese Bedingungen vor: Extrem hoher Druck und gleichzeitig sehr hohe Temperaturen“, erklärt Hongbo Wang aus der Hochdruckforschungsgruppe die Ergebnisse der Studie.

Und noch etwas stellten die Wissenschaftler in Ihrer Versuchsreihe fest: Beim Erhitzen der Probe mit einem Laser, wird am „hinteren“ Ende des bewegten Laserspots die Probe sehr schnell wieder fest und friert in gewissen Sinne die Probe in dem Zustand ein, in dem sie sich bei hoher Temperatur befunden hat. Das heißt, dass sehr viel Kohlensäure in der Lösung ist, mehr als sich in Wasser bei niedrigen Temperaturen (z.B. in der Nähe der Schmelztemperatur) lösen kann. Da die „überschüssige“ Kohlensäure in Lösung nicht mehr stabil ist, bildet sich feste Kohlensäure. Durch den schnellen Temperaturabfall am Rand des Laserspots gefriert dann das Wasser (durch den hohen Druck) um die feste Kohlensäure herum, bevor diese sich wieder auflösen kann. „Wir können die feste Kohlensäure also bei Raumtemperatur und bis zur Schmelztemperatur des Wassers beim eingestellten Druck beobachten, nachdem wir mit dem Laser über die Probe gefahren sind“, so Chemiker Janek Zeuschner weiter.

Die Entdeckung könnte im weiteren Verlauf sowohl Auswirkungen auf das gegenwärtige Verständnis der physikalischen Eigenschaften (bspw. die elektrische Leitfähigkeit) unterirdischer Fluide, die molekulare Kohlensäure transportieren, als auch auf die Theorien der chemischen Evolution in diesen Fluiden und damit auf die Entstehung des Lebens haben, vermuten die MPIC-Forscher. „Dass Kohlensäure unter bestimmten Bedingungen eine stabile und damit quantitativ relevante Substanz in der Erde ist, ändert unser Verständnis dieser am globalen Kohlenstoffkreislauf beteiligten Spezies grundlegend“, fasst es Jonathan Williams, Gruppenleiter in der Abteilung Atmosphärenchemie, zusammen.

Weitere Informationen:

http://www.mpic.de/aktuelles/pressemeldungen/news/hoher-druck-und-hohe-temperatu...

Dr. Susanne Benner | Max-Planck-Institut für Chemie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht In Form bleiben
16.08.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

nachricht Intelligente Fluoreszenzfarbstoffe
16.08.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Im Focus: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Schatzkammer Datenbank: Digitalisierte Schwingfestigkeitskennwerte sparen Entwicklungszeit

16.08.2018 | Informationstechnologie

Interaktive Software erleichtert Design komplexer Gussformen

16.08.2018 | Informationstechnologie

Fraunhofer HHI entwickelt Quantenkommunikation für jedermann im EU-Projekt UNIQORN

16.08.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics