Взаимодействие углекислого газа и воды — одна из самых важных реакций во всей науке, поскольку она объясняет естественную кислотность воды и все сопутствующие реакции. Определение структуры растворенного диоксида углерода является отправной точкой для всех исследований, направленных на изучение этой важнейшей реакции.
Вода жизненно важна для всех живых организмов; Получение лучшего понимания химического состава воды — одна из важнейших научных целей. Одним из свойств воды, оказывающих наибольшее влияние на живые организмы, является pH. Угольная кислота играет центральную роль в кислотности водных систем, поскольку она является наиболее распространенным источником протонов в окружающей среде. Когда углекислый газ растворяется в воде, образуется угольная кислота, которая имеет очень короткое время жизни — обычно около 30 пикосекунд — перед диссоциацией на протоны и бикарбонат-ионы.
Чтобы понять, как происходит эта реакция, крайне важно полностью охарактеризовать каждый из частиц, участвующих в реакции, включая водный диоксид углерода и водный раствор угольной кислоты. Ранее эти исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL) и Калифорнийского университета в Беркли определили структуру сольватированной угольной кислоты.
После этого открытия они обратили внимание на структуру самого сольватированного диоксида углерода с целью охарактеризовать как «начальные», так и «конечные» виды реакции. Для достижения этой цели была использована уникальная система инжектора микроструйной жидкости для рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS) в Advanced Light Source (ALS) в LBNL.
Полученный спектр XAS был затем объединен с моделированием молекулярной динамики и теоретическими расчетами, выполненными в Molecular Foundry и Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC). Объединение этих методов дало полностью охарактеризованную структуру, в которой растворенный диоксид углерода действует как гидрофоб, образуя только очень слабые водородные связи с окружающими молекулами воды. Результатом таких взаимодействий является образование цилиндрической полости в жидкой воде, создающей основу для последующей химии переноса протона.
Результаты этого исследования послужат основой для будущих исследований этой важной химической реакции.