地球土壤中的碳含量是大气中碳含量的三倍多，但是土壤中碳的结合过程仍未被很好地理解。
提高这种理解可能有助于研究人员制定策略，将更多的碳封存在土壤中，从而使其远离大气。在大气中，碳与氧气结合，发挥温室气体的作用。
本研究中使用的一种土壤团聚体的扫描电子显微镜图像。
一项新的研究描述了一种突破性的方法来成像物理和化学相互作用，在接近原子尺度的土壤中封存碳，并取得了一些惊人的结果。
这项名为“纳米尺度土壤中的有机-有机和有机-矿物界面”的研究发表在11月30日的《自然通讯》杂志上。
在这样的分辨率下，研究人员首次表明，土壤碳与矿物质和来自有机物的其他形式的碳相互作用，如细菌细胞壁和微生物副产品。以前的成像研究只指出了土壤中碳和矿物质之间的分层相互作用。
“如果有一个被忽视的机制,可以帮助我们保留更多的碳在土壤,那将有助于我们的气候,”资深作者约翰内斯·莱曼说,自由海德贝利教授综合植物科学学院的土壤和作物科学部分,在农业和生命科学学院。安吉拉·波辛格博士是这篇论文的第一作者，她曾是莱曼实验室的研究生，目前在弗吉尼亚理工大学做博士后研究。
由于这项新技术的分辨率接近原子尺度，研究人员不能确定他们所研究的化合物是什么，但他们怀疑在土壤中发现的碳可能来自土壤微生物和微生物细胞壁产生的代谢物。“这十有八九是微生物的坟墓，”莱曼说。
“我们有一个意想不到的发现，我们可以看到不同形式的碳之间的界面，而不仅仅是碳和矿物之间的界面，”Possinger说。“我们可以开始研究这些界面，并试图理解关于这些交互作用的一些东西。”
这项技术揭示了这些有机界面周围的碳层。Possinger说，这也表明氮在促进有机界面和矿物界面之间的化学相互作用方面起着重要作用。
因此，农民可以通过考虑土壤改良剂中氮的形式，通过碳吸收来改善土壤健康，缓解气候变化，她说。
在追求她的博士学位,Possinger与康奈尔大学物理学家——包括工作多年的合作者莉娜Kourkoutis,应用和工程物理系副教授大卫·穆勒和塞缪尔·b·埃克特教授的工程应用和工程物理、和卡夫研究所的主任康奈尔大学纳米科学,帮助开发多步方法。
研究人员计划使用功能强大的电子显微镜将电子束聚焦到亚原子尺度，但他们发现电子会改变和破坏松散和复杂的土壤样本。结果，他们不得不将样本冷冻到零下180摄氏度左右，以减少光束的有害影响。
Possinger说:“我们必须开发一种技术，使土壤颗粒在制作非常薄的薄片的过程中保持冻结，以观察这些微小的界面。”
Kourkoutis说，然后可以对样品进行光束扫描，以产生土壤样品的结构和化学以及其复杂界面的图像。
Lehmann说:“我们的物理学同事正在全球范围内领先，以提高我们近距离观察材料特性的能力。”“没有这样的跨学科合作，这些突破是不可能的。”
Kourkoutis说，新的低温电子显微镜和光谱技术将使研究人员能够探测软、硬材料之间的一系列界面，包括那些在电池、燃料电池和电解质功能中发挥作用的界面。
合著者包括Kourkoutis实验室的前研究生Michael Zachman博士，18岁;莱曼实验室前研究员阿基奥·恩德斯(Akio Enders);巴纳比·莱文博士，他曾是穆勒实验室的研究生。
这项研究由美国国家科学基金会、慕尼黑技术大学高级研究院、安德鲁·w·梅隆基金会和康奈尔大学农业和生命科学学院校友基金会资助。
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