Deimantai ant ledo

Deimantai ant ledo

S. Anofelis
"Chemija ir gyvybė" № 11, 2010

Foto: Andrejus Kurbatovas

Dryas Nanodiamonds

Nano diodai randami visose Šiaurės Amerikoje esančių uolienų sluoksniuose, atitinkančiuose vėlyvą džiovą (nurodomas jų kiekis milijardais dalių). Tačiau didžiausias krenta Mičigano ežero pietinėje pakrantėje. Jei tokia maksimali priežastis yra tai, kad greta esantis hipotetinis dangaus kūnas arba jo didysis fragmentas nukrito, dulkės nuo kritimo gali pasiekti ledkalnį Grenlandijos pietvakariuose. Vaizdas: "Chemija ir gyvenimas"

Viena iš senovės Žemaičių slėpinių yra milžiniškų gyvūnų išnykimas: mamutai, vilnoniai rhinos, didžiuliai lūžiai, šabo dantuojantys tigrai ir daugelis kitų. Manoma, kad bent Šiaurės Amerikoje jie staiga išnyko, o šis įvykis sutapo su aušinimu ir pirmais žmonėmis žemyne. Tačiau šie patys žmonės (taip vadinamosios Clovis kultūros kūrėjai) taip pat išnyko staigiai, o jų gyvenviečių pėdsakų išnykimas sutampa su aštriu aušinimu vėlyvojo Driano pradžioje. Tai įvyko Šiaurės pusrutulyje prieš 12,9 tūkst. Metų po šilto Bölling-Alleroed laikotarpio ir tęsėsi apie tūkstantį metų (pietinėje pusėje, atrodo, tai nebuvo pastebėta).Manoma, kad aušinimo priežastis buvo didžiulis gėlo vandens iš Šiaurės Amerikos Agassio ežero į Atlanto vandenyną pasiekimas, dėl kurio laikinai susilpnėjo Golfo srovė.

Šis paaiškinimas netinka visiems ekspertams: daugelis mano, kad eksperimentiniai duomenys yra prastai paremti. Skeptikai, bandydami patekti į tiesą tiesiogine šio žodžio prasme, sužinojo, kad nuosėdinės uolos sluoksniuose, kuriuose prasideda pavėluotas Dryas, yra neįprasti nuosėdos (žr. "Chemistry and Life", 2009, Nr. 9). Pavyzdžiui, buvo nustatytos nanodiamandų formos, kurios Žemėje galėjo būti suformuotos tik tuo atveju, jei kosminis kūnas sukrėtė Žemę. Tačiau kiti mokslininkai teigia, kad nanodiamonds identifikuojami neteisingai, ir jei jums atrodo, ne anomalija nebus: deimantai bus grafitas, grafenas, ir net ne visos vario, visi šie dalelių tolygiai pasiskirstys per visą dirvožemį nuo seniausių laikų iki šių dienų storio. Nors nanodiamandai nėra vienintelis šokų hipotezės rėmėjų argumentas, mokslininkams labai naudinga nustatyti tiesą, kai sluoksnis su nanodiamandromis, randamas virš anksčiau buvusio sluoksnio nuosėdų.

Ir tokiam uždaviniui nėra nieko geresnio nei senovės ledo.Jis buvo už jo ir išvyko į pietvakarių Grenlandijos pakrantę 2008 m. Rudenį, Amerikos mokslininkų iš Maine universiteto grupės. Tada kartu su kolegomis iš 14 kitų Jungtinių Amerikos Valstijų ir Danijos universitetų sukūrė subtilių eksperimentų seriją, kuri, kaip ir pavyzdžių rinkinys, reikalavo gilių žinių įvairiuose chemijos ir fizikos srityse bei puikiai vadovavo šiuolaikiniams moksliniams instrumentams.

Striukės ant ledo

Pasak ekspertų, kurie tyrinėja senovės Grenlandijos ledo tyrimus, pastebimas didelis dulkių kiekis iš Azijos dykumų (tai lengva įvertinti akis) atitinka klimato aušinimą. Per aušinimo laikotarpius susidaro palankios sąlygos dulkių transportavimui atmosferos srautais dideliais atstumais.

Atrodytų, kad senovės ledas turėtų būti giliai. Tai ne. Ledynas lėtai tekėja, senovės sluoksniai patenka į paviršių. Kai ledo lydosi, vanduo išteka, dulkės išlieka ir gerai matomos skirtingų spalvų juostos – priklausomai nuo dulkių kiekio tam tikrame sluoksnyje.

Foto: Andrejus Kurbatovas

Ši pastaba padėjo mokslininkams įgyvendinti pirmąjį darbo etapą – mėginių surinkimą.Šiuolaikinis ledas, Holoceno ledas, paprastai yra skaidrus. Prieš tai dulkėtas ledas Drias, po kurio buvo aiškus Böllingo – Alleroed ledas, po kurio buvo dulkėtas senovės Drias ledas. Surindami tokį juostų pakaitinimą, mokslininkai pradėjo supjaustyti metrų gylį tranšėjoje, atsargiai pakeldami išgautą ledą 15 laipsnių kampu – tai atitinka 50-100 metų. Griovelio ilgis buvo 17 metrų ir užfiksuotas laikotarpis nuo Belling-Alleroed pradžios iki Holoceno pradžios. Mėginiai, kruopščiai parinkti iš kubinių metrų ledo, buvo išsiųsti į laboratoriją, kur jie pradėjo eksponuoti sudėtingas chemines transformacijas.

Deguonies matavimas

Visų pirma reikėjo įsitikinti, ar ledas tikrai atitinka laiką, kurį lemia dulkių kiekis. Norėdami tai padaryti, išmatuoti sunkiųjų izotopų turinio anomaliją 18O. Faktas yra tai, kad 0,2% vandens molekulių yra sunkus stabili deguonies izotopas 18O, ir kitur 16O. Kuo aukštesnė oro temperatūra, tuo didesnė tikimybė, kad sunkiosios vandens molekulė išgaruos nuo vandenyno paviršiaus. Tada jis kris kartu su sniego ant ledo, o ledo "tampa sunkesnis". O jei jis yra šaltas, tada ledas taps "lengvesnis".Kalibravimas šio metodo anksčiau parodė, kad turinio anomalija 18O viename ppm gali atitikti trijų laipsnių temperatūros pokyčius.

Maine universiteto Klimato kaitos instituto direktorius Paul Maevsky (far left) ir įgulos nariai atvyko į tyrimo objektą. Foto: Andrejus Kurbatovas

Norint išmatuoti tokią anomaliją, į specialius mililitrų mėgintuvėlius, kurių vidinė ertmė yra kūgio formos, išpilta 375 μl ištirpinto ledo. Tada mėginiai buvo supakuoti į sandarų maišą ir išsklaidė visą orą su izotopu grynu anglies dvideginiu, tai yra, sudaryta iš anglies-12 ir deguonies-16. Indai yra hermetiškai užkimšti kamščiais ir palikti vienas. Per naktį jie pasiekė izotopų pusiausvyrą tarp vandens ir dujų: H218O + C16O2 → N216O + C16O18O. Tai atliekama taip, kad į tiriamą medžiagą nepatektų jokie pašalinio vandens lašai. Tada, ištraukus kamštelį švirkštu, išgaunamos dujos, jis varomas šaldytuvu, kurio temperatūra yra 80 laipsnių šalčio (taip jie atsikratė likusio vandens) ir siunčiami į masės spektrometrą. Joje skirtingos masės molekulės skleisti viena nuo kitos, jas galima skaičiuoti ir nustatyti anomaliją.Tai skaičiuojama iš standartinių pavyzdžių, pavyzdžiui, iš Vienos jūros vandens standarto. Dėl pasitikėjimo, tas pats buvo lyginamas su dviem standartinio vandens pavyzdžiais. Paaiškėjo, kad gauti duomenys, esantys persklaidymo ribose, atitinka anomalijų matavimo rezultatus 18O Grenlandijos ledo gręžimo giliai šuliniai. Taigi neįprastas mėginių surinkimo metodas – nuo ledyno paviršiaus – nesukėlė rimtų klaidų, buvo tinkamai identifikuoti sluoksniai, atitinkantys vėlyvas Dryas, senovės Dyras ir holoceno pradžia.

Rūgštus ir šarminius

Ledo mėginio dėžutė. Vaizdas: "Chemija ir gyvenimas"

Tada prasidėjo darbas dėl nanodiamandžių išgavimo iš ledo. Pirma, ledas buvo šildomas, iš jo išgaravo vanduo. Būtina tai padaryti atsargiai, esant ne aukštesnei kaip 60 ° C temperatūrai, nes nanodiamandai, kuriuos jie ieško, yra gana subtili: dėl jų metaztabilumo su pernelyg didelio šildymo jie lengvai perkeliami į kitas anglies formas. Žinoma, prieš pradedant dirbti, mėginiai pasveriami, kad vėliau būtų galima apskaičiuoti nanodiamandų koncentraciją.

Kaip rasti nanodiamandenius, jei jie sumaišomi su ledu esančiomis dulkėmis? Nano dervos paprastai yra hidrofobinės, bet gali būti padengtos kitų medžiagų "kailiniu kailiu", todėl jie bus hidrofilūs. Tai padės išvengti valymo.Todėl antroje stadijoje jie yra plaunami valandą ar dvi koncentruotos druskos rūgštyje, taip pat veikiant ultragarsu. Tada deimantai perkeliami į koloidą, užpildant amoniako tirpalą stipria šarmine reakcija, jie kaitinami kelias dienas ir molio dalelės yra atskirtos centrifugos. Koloidinis tirpalas nusausinamas ir išgarinamas, likusios nuosėdos vėl apdorojamos amoniaku. Ir taip iki penkių kartų – kuo daugiau išgauti nanodiamandžius. Po to flokuliacija, t. Y. Koloidinio tirpalo nusėdimas, vėl druskos rūgštyje. Nanoalidų nuosėdos išspaudžiamos centrifugos, o druskos išlieka skystyje – daugelis iš jų yra Grenlandijos ledu, o tada jie bus kištis, jei jie nebus pašalinti. Ir dabar galite pradėti faktinius tyrimus.

Elektronų mikroskopu

Paprastai nanodiamondas elektroniniame mikroskopu nepadės. Tam jums reikia stovo – tinklelio, kurio skersmuo yra 3 mm, o ląstelių plotis – 300 mikronų. Kadangi elektronų spinduliuotės pavyzdys pašildomas ir gali reaguoti su akių medžiaga, jis turi būti padengtas inertiniu anglies dioksidu.

Siekiant paruošti mėginį, nanodiamandai vėl praskiedžiama keliais lašais šarmų, todėl gaunamas koloidinis tirpalas.Pipete užtepkite ant grotelių, tepkite ant jo lašą ir pašalinkite tirpalo perteklių ta pačia pipete. Džiovintoji tinklainė gali būti dedama į mikroskopo mėginio laikiklį. Norint įvertinti nanodiamondo koncentraciją, jis turi būti pasvertas prieš ir po džiovinimo.

Ir čia yra mikroskopo mėginys. Elektroninis pluoštas praeina pro jį ir suteikia vaizdą ekrane. Galite supjaustyti dalį vaizdo su diafragma, perjunkite mikroskopą į kitą režimą ir pamatysite mikrodifrakcijos vaizdą – elektronų atspindžius iš pavyzdžio kristalų grotelių, kur kiekvienas ryškus taškas (refleksas) atitinka savo plokštumą. Ši nuotrauka yra labai svarbi. Liniuotės nuo jos centro – pirminės spindulio – atstumas, išmatuotas ties kiekvienu refleksu, yra susijęs su realiu atstumu iki atitinkamos grotelės plokštumos nuo koordinačių centro. Tokių tarpplanarinių atstumų seka yra unikali kiekvienai medžiagai. Taigi, sukuriant tarpplanarinių atstumų seriją, galima suprasti tai, kas matoma paveikslėlyje. Čia yra tam tikrų sunkumų: jei mėginys nėra labai gerai paruoštas, arba tyrimo metu kažkas išaugo arba nusistovėjo – kai kurie oksidai ar aliejus iš vakuuminio siurblio, tada atsiras papildomų refleksų.Tas pats pasitaiko, jei grotelės yra netobulos, pavyzdžiui, ji turi dvynukus – sritis, kuriose grotelės yra atspindimos. Mokslininko menas yra pasirinkti tinkamus refleksus, atitinkančius tiriamą medžiagą. Tačiau šiuolaikiniai mikroskopai leidžia pažiūrėti kristalografinės plokštumos, vadinamą "tiesiogine grotelių rezpeja". Tada atstumas tarp jų yra matuojamas tiesiai, ir šis stebėjimas atlieka skaičiavimo kontrolę, atliekant mikrodifrakciją.

Dalelių lonsdale (nano-deimantas su šešiakampiais groteliais) po elektroniniu mikroskopu. a – tiesioginė grotelių pertvara; ji matuoja atstumus tarp kristalografinių plokštumų (gretimus lėktuvus nurodo baltos linijos, o skaičiai yra atstumai tarp jų ir nanometrais). į – mikrodifrakcija iš lansdale kristalo. Aiškūs simetriški refleksai reiškia, kad tyrimo objektas yra dalelė su dideliu grotelių tobulumu. Vaizdas: "Chemija ir gyvenimas"

Kaip paaiškėjo, imtyje yra du nanodiamandžių fosai – lonsdaleitas (deimantai su šešiakampėmis grotelėmis, kurių kietumas yra 50% didesnis nei įprastų kietumas) ir n-deimantai su kubinėmis grotelėmis.Jų tarpplanarinių atstumų rinkiniai puikiai sutapo su lentelės reikšmėmis. Manoma, kad šias medžiagas galima supainioti su variu, kvarco, rutilu, grafitu ar graphene, nes jų tarpplanariniai atstumai skiriasi tik nuo nanodiamondinių. Šios situacijos analizė parodė, kad tokie galimi dvyniai turi papildomų plokštumų arba nanodiazone nėra lėktuvų. Kitas argumentas yra suapvalinta nanodiamandų forma. Kartais atsirandančios kitos įtartinos medžiagos dalelės atėjo į tyrėjų nuomonę, tačiau jų forma buvo kitokia. Panašiai ši forma skiriasi nuo tų, kurių nanodiamandai yra meteorituose.

Ypač palyginus, mokslininkai tyrė nanomagnetofonus iš trijų meteoritų. Vienoje Ureilitų klasėje (šis pavadinimas kilęs iš Mordovijos kaimo Novy Urey, kur jie nustatė tokį meteoritą 1886 m.), Buvo pastebėtos kampinės londdaleito formos. Kitose dviejuose, priklausančiuose anglies chondritų klasei, buvo n-deimantų kristalai, kurie paėmė gryną formą. Kita vertus, Grenlandijos ledo rastos nanodiamandienos buvo panašios į ankstesnių Šiaurės Amerikos mokslininkų.Be to, kristalografiškai jie pasirodė esąs tokie patys kaip ir Popigų krateryje esančių nanodiamandų Jakutoje, kurių kilmė neabejotina dėl meteoritų streiko. Tiesa, Popigai nanodiamandžiai nebuvo suapvalinti, bet kampuoti.

Taigi pagal elektroninį mikroskopą atrodys n-deimantai su kubinėmis grotelėmis. Tamsios juostelės savo nuotraukose vadinamos dvigubomis. Tai yra kristalų struktūros defektai; gretimų juostų grotelės yra tokio kampo link vienas kito, kad atrodo, kad jie yra veidrodiniai atspindžiai. Paprastai dvyniai atsiranda stiprioje ir greitoje deformacijoje. Ir londdaletų dalelėse nėra dvynių. Mikrodifrakcija (į) su daugybe neryškių refleksų reiškia, kad jo formavime dalyvavo keli kristalai, kurių tinkleliai yra netobulūs. Vaizdas: "Chemija ir gyvenimas"

Norint patvirtinti, kad tai yra nanodiamandžiai, jie buvo papildomai ištirti, pavyzdžiui, dispersinę energetinę analizę. Šio metodo esmė yra ta, kad pirminio spindulio elektronai, praeinantys pro pavyzdį, sužadina jo atomus. Šis sužadinimas yra pašalintas dėl antrinių elektronų išsiuntimo iš vidinio atomo kiaušinių (jie vadinami ožerio elektronais, garbingu Pierre'u Augeriu, kuris atrado poveikį 1925 m.) Arba elektromagnetine spinduliuote.Ypatinga antrinės spinduliuotės ypatybė yra tai, kad ji gali būti naudojama nustatant, kuris elementas jį sukūrė (deja, metodas veikia elementams, kurie yra sunkesni už anglį). Ši analizė parodė, kad varis ir silicis iš tikrųjų yra nanodiamandenių dalelėse, bet kiekiuose, kurie yra nereikšmingi, palyginti su anglies kiekiu – mažiau nei 1%.

Skaičiavimas

Tai tipiška deimanto dalelė, kurioje yra daug anglies. Nuotrauka: Allen. Vaizdas: "Chemija ir gyvenimas"

Patyrę, kad iš cheminio ledo išsiskyrimo parinktos dalelės iš tiesų yra nanodiamandžiai, mokslininkai nustatė pagrindinę problemą: jie pradėjo skaičiuoti, kiek šių dalelių yra tam tikrame ledo pavyzdyje. Skaičiavimai parodė, kad londdaleito ir n-deimantų dalelės sudaro du trečdalius viso dalelių, sugautų mikroskopo vaizdu lauke. Pirmasis dydis buvo 2-40 nm, antrasis 4-200 nm. Žinant šiuos matmenis, vidutinį skaičių nanodiamandžių, susidariusių bandymo tinklelyje, taip pat jame esančio bandinio svorį, buvo įmanoma apskaičiuoti dalelių koncentraciją pradiniame laše ir apskaičiuoti jį ant ledo mėginio.

Rezultatas atrodo taip.Du sluoksniai (sunkiųjų deguonies anomalijų jie atitinka į viršų pabaigoje dryas) nanodiamonds koncentracija buvo didelė: 57 milijonai ir 1 mlrd 415 milijonų vienetų mililitre. Ankstesniuose sluoksniuose, ty žemiau, 110 cm jų kiekis buvo apie tūkstantį vienetų viename mililitre. Viršuje nanodiamondo sluoksnis buvo išmatuotas 55 cm atstumu nuo maksimalios 5 tūkstančių dalelių 30 cm atstumu. Beje, tada atėjo kitas šaltas spąstai. Vidutiniškai nanodiamandų koncentracija sluoksnyje prieš pat vėlyvą Dryas buvo 50 dalių už milijardą. Didžiulis nanodiamandenių koncentracijos skirtumas, matyt, rodo, kad vėliau jie buvo gretimuose sluoksniuose, ypač pagrindiniuose sluoksniuose, dėl procesų, kurie vyksta ledo metu saulės šildymui.

Šaltojo laikotarpio pradžioje susidariusio ledo sudėtyje yra daugiausia nanodiamandžių. Vaizdas: "Chemija ir gyvenimas"

Kur galima gauti šiuos nanodiamandalus? 2002 m. Paul'as de Carly iš Stanfordo instituto gavo londdaleitą, kai anglies šildymas buvo padidintas iki 1000-1700 ° C, esant didesniam kaip 15 GPa slėgiui, po to greitai vėsinantis. Kita vertus, Mariyam Tucker ir kolegos iš užteršimo instituto ir išteklių (Onagawa), gaunamos 1992 godu lonsdalite dulkinimo būdu šildomas iki 13000 ° C karšto anglies plazmoje substrato.Maždaug tokios būklės kyla, kai kosminis kūnas streikuoja žemę, kuri skrenda daug kartų greičiau nei garso greitis. Su n-deimantais situacija yra sudėtingesnė. Jie gaminami trinitrotolueno sprogimo metu, kai trūksta deguonies. Šios sąlygos, matyt, atsiranda šiek tiek laiko po smūgio, kai šildoma medžiaga pradeda kondensuotis.

Apskritai tarptautinės mokslinės grupės atliktas tyrimas liudija: planetos aušinimo hipotezė prieš 13 tūkst. Metų dėl kosminio kūno kritimo turi rimtų priežasčių ir turi būti kruopščiai patikrinta įvairiais moksliniais metodais. Be to, visi kiti staigūs klimato svyravimai, ir jie, kaip mes žinome iš ledo kolonų tyrimo, dažnai pasitaikydavo Žemės istorijoje, reikalauja vienodai didele dėmesio, kad galėtume suprasti šiuos pokyčius kontroliuojančius mechanizmus.

Remiantis straipsniu A. V. Kurbatov ir kt., "Atradimas a
turtingas nanodiamondas Grenlandijos ledo sluoksnyje ", Leidinys "Glaciology", 2010, t. 56, № 199
su autorių sutikimu ir A. V. Kurbatovo pagalba. Micrographs yra perspausdintos iš
Leidinys "Glaciology" su Tarptautinės glaciologijos draugijos leidimu


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: