Los neutrones exponen la estructura cristalina del escurridizo ácido carbónico
Todo el mundo cree saberlo, pero se ha mantenido como uno de los mayores secretos de la química: el ácido carbónico. Hasta ahora nadie había visto nunca la estructura molecular del compuesto formado por hidrógeno, oxígeno y carbono de fórmula química H2CO3. El compuesto se descompone rápidamente, al menos en la superficie de la Tierra, en agua y dióxido de carbono o reacciona para formar carbonato de hidrógeno, una sustancia que también se descompone.
Es lo que da la efervescencia al agua mineral y al champán."Debido a que la gente no cree en lo que no puede ver, los libros de química generalmente afirman que el ácido carbónico no existe o al menos que no se puede aislar con absoluta certeza."dice el Prof. Richard Dronskowski, director del instituto de Química Inorgánica en RWTH Aachen.
Con su equipo en RWTH y el Instituto Hoffmann para Materiales Avanzados (HIAM) en Shenzhen, China, ahora ha logrado producir ácido carbónico cristalino y analizar su estructura por primera vez. Así que es hora de reescribir los libros de texto.
Los investigadores tardaron ocho años en probar la existencia del compuesto."Nuestros cálculos basados en computadora mostraron inicialmente que tendríamos que crear temperaturas de menos 100°C combinadas con una presión de alrededor de 20,000 atmósferas para que se formaran cristales de ácido carbónico a partir de agua y dióxido de carbono. Así que tuvimos que diseñar y construir un aparato que pudiera soportar estas condiciones extremas,"dice Dronskowski.
Las paredes de la celda de medición, que no es más grande que un frasco de perfume, están hechas de una aleación especial. Una ventana de diamante permite a los investigadores ver el interior. En esta celda, una mezcla de agua congelada y hielo seco de dióxido de carbono se somete a presión con un yunque. En estas condiciones extremas, se formaron cristales.
Usando neutrones para ver mejor
Para obtener más información sobre la composición y la estructura de los cristales, el equipo llevó la celda de medición al FRM II en Múnich:"Para nuestras investigaciones, necesitábamos haces de neutrones,"recuerda Dronskowski.
"Los rayos X interactúan con los electrones en los átomos. Pero los neutrones interactúan con los núcleos. Como resultado, pueden usarse para hacer visibles incluso átomos muy ligeros, como el hidrógeno, que contiene un solo electrón. Eso fue esencial para nosotros porque nuestros cristales contienen hidrógeno. Teníamos que saber dónde se encuentran los átomos de hidrógeno en la molécula."
Para utilizar haces de neutrones para investigar la estructura atómica de un cristal, se necesitan instrumentos de medición extremadamente sensibles, como el difractómetro STRESS-SPEC. Fue desarrollado para medir los efectos de desplazamiento de las tensiones en la red cristalina. Para la medición, se utiliza un monocromador para seleccionar una longitud de onda específica del haz de neutrones emitido por el reactor de investigación FRM II.
Este haz monocromático se puede dirigir utilizando rendijas especiales para enfocarlo completamente en el interior de la celda de medición, explica el investigador de TUM y líder del grupo FRM II, el Dr. Michael Hofmann:"Esto nos permite estudiar volúmenes de muestra muy pequeños a una resolución extremadamente alta. Para el análisis de la muestra de Aquisgrán, que tenía un volumen de unos pocos milímetros cúbicos, era ideal."
Cuando el haz de neutrones monocromático golpea un cristal, se desvía a través de la interacción con los átomos. Esto produce un patrón de difracción a partir del cual se puede deducir la estructura de la red cristalina, al menos teóricamente.
El rompecabezas de la estructura
"En términos prácticos, el análisis de los datos de medición fue un verdadero desafío,"dice Dronskowski. Los investigadores tardaron más de dos años en identificar miles de posibilidades estructurales con sus algoritmos y compararlas con los resultados experimentales. Con este enfoque, finalmente lograron identificar la estructura de los cristales que se formaron en el interior de la celda de medición: de hecho, consisten en H2CO3 moléculas unidas por puentes de hidrógeno, formando una simetría baja"monoclino"estructura.
"Nuestro trabajo fue principalmente investigación fundamental: los químicos solo necesitan saber esto, no pueden evitarlo. Pero ahora, donde conocemos las condiciones bajo las cuales se forma el ácido carbónico, podemos imaginar aplicaciones prácticas,"dice Dronskowski.
Por ejemplo, los cosmólogos que detecten rastros de ácido carbónico en planetas o lunas distantes podrán sacar conclusiones sobre las condiciones allí. Los resultados también pueden ser interesantes para la geoingeniería: por ejemplo, ahora es posible calcular cuándo se formarán cristales de ácido carbónico cuando el dióxido de carbono se someta a alta presión en condiciones húmedas bajo tierra.
La investigación fue publicada en inorgánicos.
