Κοχύλια, οξίνιση των ωκεανών και μελλοντικές τεχνολογικές εφαρμογές;

Οι παραλίες μας είναι γεμάτες από διάφορα κοχύλια -τα λείψανα από εξωτερικά, σκληρά, προστατευτικά κελύφη που προέρχονται κυρίως από θαλασσίους ασπόνδυλους οργανισμούς. Τα κελύφη αυτά έχουν μεγάλη ποικιλία χρωμάτων, σχεδίων, και μεγεθών.Γιατί όμως το υλικό από το οποίο αποτελούνται τα κοχύλια σχηματίζεται με διαφορετικό τρόπο στο θαλασσινό νερό;

Για σχεδόν έναν αιώνα, οι επιστήμονες ένοιωθαν αμήχανα σε μια διαδικασία που είναι ζωτικής σημασίας για ένα μεγάλο μέρος της ζωής στους ωκεανούς της Γης: Γιατί το ανθρακικό ασβέστιο, το σκληρό υλικό από κοχύλια και κοράλλια, μερικές φορές λαμβάνει τη μορφή του ασβεστίτη, και άλλες φορές σχηματίζει μία χημικά όμοια μορφή ορυκτού, που ονομάζεται αραγωνίτης , το οποίο όμως είναι πιο διαλυτό - και ως εκ τούτου περισσότερο ευάλωτο στην οξίνιση των ωκεανών;Το μυστήριο από ότι φαίνεται λύθηκε..

Οι ερευνητές είχαν αναγνωρίσει τις μεταβολές στη συγκέντρωση του μαγνησίου στο νερό ως το βασικό παράγοντα σε αυτή τη διαδικασία, αλλά ποτέ δεν ήταν σε θέση να εξηγήσουν γιατί παράγει τέτοιες δραματικές επιπτώσεις. Τώρα, οι επιστήμονες στο MIT και του Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) προέβησαν σε λεπτομερή, ανάλυση της διαδικασίας. Η νέα εξήγηση, λένε, θα μπορούσε να είναι ένα βήμα προς την κατεύθυνση που επιτρέπει την δημιουργική σύνθεση νέων υλικών για τη παραγωγή στο εργαστήριο.

Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν αυτή την εβδομάδα στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών από τούς μεταπτυχιακούς φοιτητές Wenhao Sun, Gerbrand Ceder και τρεις άλλους , υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Richard P. Simmons από το Τμήμα Μεταλλουργίας του MIT.

''Το κύριο πρόβλημα έχει να κάνει με το σχηματισμό των υλικών," εξηγεί ο Sun. "Όταν στερεά κρυσταλλώνονται σε διάλυμα, έχουν χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, [περισσότερη] σταθερή κρυσταλλική δομή."

Πολλά υλικά αποδίδουν καλύτερα όταν είναι μετασταθή: Σταθερά υπό κανονικές συνθήκες, αλλά υπόκεινται σε μετατροπή σε μια πιο σταθερή κατάσταση με την πάροδο του χρόνου. Ο Sun εξηγεί ότι η ομάδα επέλεξε να διερευνήσει την μεταστάθεια χρησιμοποιώντας ανθρακικό ασβέστιο, επειδή καλά πειραματικά δεδομένα πολλών δεκαετιών είναι διαθέσιμα, καθιστώντας το μια καλή περίπτωση για μελέτη γιατί κάποιες χημικές αντιδράσεις παράγουν κατά προτίμηση μία από τις πολλές πιθανές μορφές μιας ένωσης.

Το ανθρακικό ασβέστιο μπορεί να λάβει τη μορφή δύο διαφορετικών ορυκτών: ασβεστίτης είναι η σταθερή μορφή, ενώ ο αραγωνίτης είναι μετασταθής: Με την πάροδο του χρόνου, ή όταν θερμαίνεται, μπορεί τελικά να μετατραπεί σε ασβεστίτη. Ένα άλλο γνωστό παράδειγμα τέτοιων υλικών, εξηγεί ο Sun, είναι το διαμάντι και ο γραφίτης, το υλικό μολύβδου από το οποίο αποτελείται το μολύβι: Ενώ και τα δύο έχουν την ίδια σύνθεση - καθαρό άνθρακα - το διαμάντι είναι η μετασταθερή μορφή, και με την πάροδο του χρόνου θα γίνει τελικά γραφίτης.

Το ανθρακικό ασβέστιο κρυσταλλοποιείται συνήθως ως ασβεστίτης, αλλά εκπληκτικά, σχηματίζει αραγωνίτη στο θαλασσινό νερό. Το αποτέλεσμα επηρεάζει πολλές διαφορετικές διαδικασίες - συμπεριλαμβανομένου του παγκόσμιου κύκλου άνθρακα, με την εξουδετέρωση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα σε ένα σταθερό ανόργανο υλικό γεγονός που περιορίζει την συσσώρευση του στον αέρα. Επίσης, επηρεάζει τον σχηματισμό των οστράκων και κοραλλιών, των οποίων τα κελύφη αραγωνίτη είναι ευάλωτα σε αύξηση της οξύτητας των ωκεανών που σχετίζονται με την κλιματική αλλαγή.

Αν και οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι διαφορετικές συγκεντρώσεις του μαγνησίου στο νερό επηρεάζουν την τύχη του ανθρακικού ασβεστίου, δεν είχαν καμία εξήγηση για αυτό. Η ανάλυση της ομάδας ΜΙΤ δείχνει ότι η αναλογία του ασβεστίου προς μαγνήσιο στο νερό επηρεάζει την επιφανειακή ενέργεια των κρυστάλλων σχηματισμού πυρήνων όταν ο λόγος περνά μια συγκεκριμένη τιμή, ανατρέπεται η ισορροπία από το σχηματισμό ασβεστίτη στο σχηματισμό αραγωνίτη.

"Η επιφάνεια της ενέργειας είναι το εμπόδιο για την πυρηνοποίηση ," λέει ο Sun. "Ήμασταν σε θέση να υπολογίσουμε την επίδραση του μαγνησίου στην επιφάνεια της ενέργειας." Αν και αυτή η επιφανειακή ενέργεια είναι δύσκολο να μετρηθεί πειραματικά, η ομάδα ήταν σε θέση να την καθορίσει, μέσω υπολογισμών, λέει: ''Ανακαλύψαμε ότι αυτός ήταν ο μηχανισμός με τον οποίο το μαγνήσιο σταματά τον σχηματισμό της σταθερής φάσης."

Εάν δεν υπάρχει μαγνήσιο σε διάλυμα, η σταθερή μορφή ασβεστίτη σχηματίζεται γρήγορα,λέει ο Sun. "Αλλά, όπως αυξάνεται η συγκέντρωση του μαγνησίου, η ενέργεια αυξάνει την επιφάνεια ασβεστίτη, και ο ρυθμός πυρηνοποίησης πέφτει κατά τάξεις μεγέθους'', προσθέτει. "Τελικά η πυρηνοποίηση του ασβεστίτη ψύχεται, και γίνεται μετασταθή φάση αραγωνίτη."

Τελικά, ο στόχος της ομάδας ΜΙΤ ήταν να προβλέψει και να ελέγξει τα υλικά που σχηματίζονται κάτω από διάφορα χημικά διαλύματα, καθιστώντας δυνατό τον έλεγχο του σχηματισμού των νέων υλικών των οποίων τα χαρακτηριστικά-όπως σκληρότητα, χημική δραστικότητα, διαφάνεια, ή αγωγιμότητα-είναι χρήσιμα για τις μελλοντικές τεχνολογικές εφαρμογές.

Γεωδίφης

Πηγή -Υπουργείο Ενέργειας και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ