了解地球的碳循环对了解气候变化和生物圈的健康具有重要意义。但是科学家们还不知道在地球的水库深处有多少碳——例如，在压力极大的水里——因为在这样的条件下很难进行实验。
普利兹克分子工程学院的研究人员在芝加哥大学和香港科技大学创建了一个复杂的计算机模拟,将帮助科学家们确定碳的浓度条件下地幔,其中包括温度1000 k和10 GPa压力,这是对地球表面的100000倍。
这些模拟提供了一种巧妙的方法来评估测量(特别是用于发现水中离子特征的振动光谱)和这些条件下离子和分子浓度之间缺失的联系。这项研究最近发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上，对理解地球的碳循环具有重要意义。
“我们的计算策略将极大地促进对地幔极端条件下碳含量的测定，”研究报告的合著者，UChicago大学分子工程的Liew家族教授Giulia Galli说，他同时也是UChicago附属的Argonne国家实验室的高级科学家。
”与其他世界各地的研究小组,我们一直在大型项目的一部分,旨在了解多少碳存在于地球和它如何从内部向表面移动,“叮潘说,前博士后研究员UChicago在加利的小组,该研究的第一作者,和当前的物理和化学助理教授在香港科技大学。“这是朝着全面了解地球碳浓度和碳运动的方向迈出的一步。”
向更好地理解碳循环迈出了一步
了解有多少碳存在于地下数英里深的储藏库中是很重要的，因为据估计，地球上90%以上的碳都埋在其内部。深层碳会影响地表附近碳的形态和浓度，最终影响全球气候变化。
不幸的是，目前还没有实验技术可以直接表征在极端压力和温度条件下溶于水的碳酸盐。潘和加利设计了一种新策略，将光谱结果与基于量子力学的复杂计算相结合，来确定极端条件下水中离子和分子的浓度。
通过进行这些模拟，Pan和Galli发现一种特殊的重要物种——碳酸氢盐离子的浓度被先前使用的地球化学模型低估了。他们提出了一种新的观点，即在极端条件下将二氧化碳溶解在水中会发生什么。
加利说:“确定一个人在压力下将二氧化碳溶解在水中会发生什么，对了解地球内部碳的化学性质至关重要。”“我们的研究有助于对深层碳循环的理解，它实质上影响着地球表面附近的碳收支。”
加利和潘的模拟是在芝加哥大学研究计算中心和深碳观测站计算机集群进行的。这只是加利小组正在进行的对水中离子和界面水离子的几项研究之一。
了解水的一般模拟工具
当水和水中溶解或悬浮的物质与这些固体接触时，会发生什么，这是argonne领导的AMEWS中心的研究重点。例如，在许多水系统中，一种称为“污”的现象——有害物质积聚在固体表面而损害功能——发生在界面上。
AMEWS主任、PME研究员Seth Darling说:“我们所面临的大量挑战集中在水和组成处理、处理和处理水的系统的材料之间的界面上，当然包括离子。”“Galli的量子力学模拟与实验相结合，可以在理解水界面现象方面产生真正的不同，比如《自然通讯》中研究的碳酸盐离子。”
引文:“确定超临界水中碳酸盐形态的第一原理方法”。“丁·潘和朱利亚·加利。《自然通讯》，2020年1月21日，doi.org/10.1038/s41467-019-14248-1
资助机构:美国能源部、艾尔弗雷德·p·斯隆基金会、中国国家自然科学基金、裘槎基金会、美国能源部
-故事最初发表在Pritzker分子工程网站上。