حدائق الكيميائية كما تدفق من خلال المفاعلات محاكاة الأنظمة الحرارية المائية الطبيعية

الهدف العام من التجربة التالية هو محاكاة المداخن الطبيعية المترسبة في الفتحات الحرارية المائية البحرية للأرض المبكرة باستخدام تجارب الحدائق الكيميائية لتوليد هياكل التجميع الذاتي على نطاق صغير. يتم تحقيق ذلك من خلال إعداد حلين أولا. يحاكي أحد الحلول تكوين مياه البحر الأرضية المبكرة ، ويحكي محلول واحد سائلا حراريا مائية قلويا ناتجة عن تفاعلات الصخور المائية.

بعد ذلك ، يتم إعداد جهاز بحيث يمكن حقن السائل الشبيه بالحرارة المائية في خزان المحيط المحاكي تحت غلاف جوي يعاني من نقص الأكسجين. كخطوة ثالثة ، يتم إعداد أقطاب كهربائية لقياس الجهد بين المحاليل الحرارية المائية والمحيطات أثناء الحقن. أخيرا ، يتم حقن المحلول الشبيه بالحرارة المائية ببطء في قاعدة قارورة تحتوي على محلول المحيط المحاكي ، مما يحاكي التسرب الطبيعي لسائل التهوية من قشرة المحيط إلى مياه البحر المحيطة.

تظهر النتائج أن راسب معدني يتشكل عند واجهة المحيط والمحاليل الحرارية المائية ، وهذا يتطور إلى هيكل حديقة كيميائي ذاتي التجميع يشبه غواصة مدخنة حرارية مائية طبيعية. المداخن الحرارية المائية تشبه الحدائق الكيميائية الطبيعية. لقد تم إنشاؤها ، نعتقد على الأرض منذ حوالي 4.4 مليار سنة ، وهي مصنوعة من كبريتيدات الحديد وهيدروكسيدات الحديد ، ومعظمها مع القليل من السيليكا.

ويتصرفون مثل الجلد الذي يتم إنشاؤه حيث تأتي المحاليل القلوية إلى المحيط ، وهو حمضي إلى حد ما. وعند الواجهة بين الاثنين ، يسرعون هذه المعادن ، كما قلت ، تبدو وكأنها جلد. في الواقع ، يمكن للمرء أن يقارنها بالحياة كما نعرفها اليوم.

وهذا هو أن الحياة تميل إلى أن يكون لها داخل قلوي كما نفعل ، على سبيل المثال. ويميل إلى الإعجاب بالواجهات الخارجية الحمضية. أعني ، يمكنني أن أقول بشكل متقلب ربما أننا نحب شامبو الأس الهيدروجيني بدرجة الحموضة 5.5.

نحن نحب الملوثات العضوية الثابتة الصودا الحمضية على سبيل المثال. لكننا نحب أيضا تناول المشروبات القلوية للحفاظ على صحتنا لأنه بعد كل شيء ، تصميماتنا الداخلية صحية ، تماما مثل الحدائق الكيميائية الطبيعية. وما رأيناه في المختبر اليوم هو حقيقة أن الجزء الداخلي من هذه الحدائق الكيميائية قلوي.

الخارج حمضي. إنه مؤكسد إلى حد ما ، ولدينا ما يحدث هو أن هذه الحدائق الكيميائية تفرض تدرجا كيميائيا عبر الاثنين ، تلك التدرجات الكيميائية للأس الهيدروجيني والأكسدة والاختزال ، وجمعت حوالي نصف فولت ، وهو ما يقرب من كمية الطاقة الكهروكيميائية المطلوبة لدفع الحياة. ونشعر أن هذا كان صحيحا تماما لدفع الحياة إلى الوجود في المقام الأول في إحدى هذه الحدائق الكيميائية في قاع المحيط قبل 4 مليارات سنة.

تسمح لنا هذه التجربة بمحاكاة ظروف الكواكب المختلفة مثل المحيطات والسوائل الحرارية المائية والأجواء الجوية ، ولكنها تسمح لنا أيضا بمحاكاة تأثيرات تغيير المعلمات التجريبية المحددة والتأثير الذي سيكون له على النظام. في الأصل، كنا ندرس الحدائق الكيميائية التي نمت مباشرة من البلورات داخل أنابيب الاختبار، لكننا لم نتمكن من قياس إمكانات الغشاء لأننا لم نتمكن من الحصول على سلك مباشرة داخل الغشاء نفسه. لذلك من أجل القيام بذلك ، قمنا بتطوير طريقة جديدة.

إنها طريقة حقن حيث قمنا بحقن محاكاة حرارية مائية في سائل المحيط في خزان. سمح لنا ذلك باستخدام مسجل بيانات آلي لقياس إمكانات الغشاء على نمو الغشاء. قد يكافح أولئك الجدد في هذه الطريقة من أجل زراعة حدائق كيميائية جيدة التنظيم ووضع الفيروس في احتياجات تشي لقياس الجهد.

ومع ذلك ، من خلال استكشاف الأخطاء وإصلاحها ، يمكنهم حل كل هذه المشاكل. ابدأ باستخدام قاطع زجاجي لقطع الجزء السفلي من زجاجة مصل زجاجية شفافة سعة 100 ملليلتر لاستخدامات قارورة الحقن. اجمع أيضا حاجزا مقاس 20 مم ، وختم تجعيد من الألومنيوم 20 ملم ، وطرف ماصة بلاستيكية من 0.5 إلى 10 ميكرولتر.

باستخدام إبرة حقنة قياس 16 ، قم بثقب ثقب بعناية في مركز الحاجز ، ثم قم بإزالة الإبرة والتخلص منها في حاوية نفايات الأدوات الحادة المناسبة. بعد ذلك، أدخل طرف الماصة في فتحة الإبرة وادفع طرف الماصة عبر الحاجز حتى يخرج من الجانب الآخر. قم بتجعيد الحاجز بطرف الماصة على وعاء الحقن.

لجعل مانع تسرب مانع لتسرب الماء ، ادفع طرف الماصة إلى أبعد من خلال الحاجز حتى يبرز إلى الخارج. ثم قم بلصق أنبوب بقطر داخلي مقاس 16 بوصة ، وشفاف ومرن ومقاوم للمواد الكيميائية على طرف الماصة. حرك الأنبوب لأعلى على طرف الماصة من أجل إنشاء مانع تسرب للماء، تأكد من أن الأنبوب طويل بما يكفي للوصول من قارورة الحقن إلى مضخة المحقنة.

بعد ذلك ، قم بتثبيت قوارير الحقن على حامل داخل غطاء الدخان بحيث يتغذى الحقن من أسفل القارورة. قم بقص طولين من الأسلاك المعزولة بحيث تكون طويلة بما يكفي للوصول من داخل أوعية التفاعل إلى مسجل البيانات. اترك القليل من الركود في الأسلاك لتحديد المواقع.

بعد ذلك ، قم بإزالة حوالي ثلاثة ملليمترات من العزل من نهاية كل سلك سيكون موجودا داخل قارورة التفاعل في الأطراف الأخرى. سيتم توصيله بالأسلاك المتعددة. قم بتقطيع حوالي سنتيمتر واحد من السلك ، وأدخل سلكا واحدا ، وهو السلك الذي سيكون داخل الحديقة الكيميائية بالقرب من فتحة طرف الماصة لضمان ملامسة محلول الحقن ، ولكن ليس حتى الآن بحيث يسد تدفق الحقن.

ثم قم بتثبيت طرفي الأسلاك في مكانها باستخدام شريط لاصق. ثم ضع السلك الخارجي بحيث يتصل بخزان المحلول ، ولكن ليس راسب الحديقة الكيميائية. بعد ذلك ، قم بتوصيل الأطراف الحرة للأسلاك بمسجل البيانات للحفاظ على المسافة فوق خزان المحلول.

وأنشأت IC خطوط غاز النيتروجين. قم بتقسيم تغذية الغاز من خزان مصدر النيتروجين إلى عدة أنابيب بحيث يكون هناك تغذية واحدة لكل قارورة حقن. قم بإعداد 200 مل من محلول الخزان ، المعروف أيضا باسم محاكاة المحيط لكل قارورة تفاعل عن طريق فقاعات الماء منزوع الأيونات بغاز النيتروجين لمدة 15 دقيقة تقريبا لكل 100 ملليلتر.

هذا يضمن أن التجربة ستظل تعاني من نقص الأكسجين طوال فترة الحقن. ثم قم بوزن وإضافة 25 ملليمولار من الحديد ، واثنين من رباعي الكلوريد و 75 مليمولار من الحديد. ثلاثة هيكساهيدرات كلوريد إلى الماء.

قلب الخليط برفق لإذابة الأيونات دون إدخال الأكسجين في الخليط. بعد إذابة الأيونات ، استأنف على الفور فقاعات الضوء للمحلول بغاز النيتروجين. أثناء تحضير الحقن ، اختر أيا من محاليل الحقن الأولية من الجدول الموضح هنا وقم بإعداد 10 ملليلتر من كل محلول.

ثم املأ حقنة سعة 10 ملليلتر إلى علامة السبعة ملليلتر بكل من المحاليل ، وقم بتغطيتها واتركها جانبا. بعد ذلك ، قم بإعداد 20 مل من 50 مللي مولار كبريتيد الصوديوم في غطاء الدخان كحقنة ثانوية. املأ حقنتين سعة 10 مليلتر بعلامة سبعة مليلتر مع المحلول ، استبدل أغطية الإبرة وضعها جانبا.

قم بتثبيت محاقن الحقن الأولية على مضخة حقنة قابلة للبرمجة موجودة داخل غطاء الدخان. اضبط معدل الحقن على مليلتر واحد في الدقيقة وقم بتشغيل المضخة حتى تبدأ المحاقن في التنقيط في دورق النفايات. ثم أوقف الحقن.

بعد ذلك ، أدخل المحاقن التي تحتوي على ماء منزوع الأيونات في أنبوبي الحقن البلاستيكيين وحقنها بحيث يملأ الماء الأنبوب الشفاف حتى الفتحة حيث يدخل الخزان الرئيسي. ثم ضع المحاقن على الحامل فوق قوارير الحقن. ثم صب بعناية 100 مل من محلول الخزان المحتوي على الحديد في كل قارورة.

قم بإنشاء ختم محكم الإغلاق بعناية فوق القوارير باستخدام perfil وأدخل تغذية النيتروجين في كل قارورة. اضبط تدفق خطوط غاز النيتروجين حسب الرغبة للحفاظ على التجربة بدون أكسجين طوال مدة الحقن. بعد ذلك ، أحضر المحاقن المملوءة بالماء واحدة تلو الأخرى بجوار محاقن الحقن الأولية.

حرك بعناية من أنبوب حقن البلاستيك وقم بنقله على الفور مباشرة إلى إحدى إبر حقنة الحقن الأولية. الحرص على عدم ثقب جدار الأنبوب. ثم اضبط مضخة الحقنة على العمل بمعدل ملليلتر في الساعة لمدة ثلاث ساعات وابدأ الحقن في نفس الوقت.

ابدأ تسجيل إمكانات الغشاء. اضغط على التوقف على مضخة الحقنة بعد ثلاث ساعات. بمجرد تكوين هياكل الحديقة الكيميائية ، قم بإزالة محاقن الحقن الأولية بعناية من مضخة الحقنة ، ولكن اتركها متصلة بالأنبوب حتى لا يتم إزعاج الهياكل.

ضعها على الحامل فوق مستوى السائل في القوارير حتى لا يتدفق السائل مرة أخرى إلى المحقنة. بعد ذلك ، قم بتأمين محاقن الحقن الثانوية ، والتي تتكون في هذه الحالة من كبريتيد الصوديوم في مضخة الحقنة وقم بتجهيز الإبرة حتى يبدأ كلاهما في التخلص من محلول الكبريتيد بالتنقيط في حاوية نفايات خطرة خاصة. ثم قم بإزالة المحاقن واحدة تلو الأخرى من مضخة الحقنة وانقل الأنبوب من حقنة الحقن الأولية إلى المحقنة المحتوية على كبريتيد الصوديوم.

أعد برمجة مضخة الحقنة لحقن المحلول بمعدل ملليلتر في الساعة واضغط على ابدأ في حقن محلول كبريتيد الصوديوم بهذا المعدل لمدة ثلاث ساعات. بمجرد تغذية محلول الحقن الأولي في محلول الخزان ، يبدأ راسب الحديقة الكيميائية في التكون عند واجهة السائل ، ويستمر هذا الهيكل في النمو على مدار الحقن تحت المجهر الإلكتروني للمسح البيئي ، وظهرت الرواسب الأولية المتكونة في وجود الألانين أكثر تقريبا في غير متبلور ، في حين أن ترسبات أوكسي هيدروكسيد الحديد النقي وكذلك تلك التي تحتوي على بيروفوسفات بدت أكثر بلورية بعد الأولي حقن. تميل الإمكانات إلى الذروة على الفور حوالي 0.45 إلى 0.55 فولت ، ثم انخفضت لمدة ساعة تقريبا قبل أن تستقر حوالي 0.1 إلى 0.2 فولت لبقية الحقن الأولي.

عندما تم تحويل المحاقن الأولية إلى المحاقن الثانوية التي تحتوي على كبريتيد الصوديوم ، استمرت الحديقة الكيميائية في النمو باستثناء أن الزيادات الجديدة المرئية أصبحت الآن كبريتيد الحديد الأسود. بدلا من المساهمة في الجدران الحالية ، يبدو أن أجزاء الكبريتيد الأسود في الحديقة الكيميائية تتفرع وتنمو بشكل منفصل. بمجرد وصول محلول حقن الكبريتيد إلى الحديقة الكيميائية ، قفزت إمكانات الغشاء على الفور إلى حوالي 0.9 فولت.

هناك العديد من المجموعات الممكنة من الحلول التي يمكنك استخدامها لتنمية حدائقك الكيميائية. من الممكن أيضا تغيير معدل الحقن من معدل أسرع إلى معدل أبطأ وتغيير الحقن الأولي إلى الحقن الثانوي في أي وقت أثناء التجربة ، طالما أن هيكل حديقتك الكيميائية قد تم تشكيله بالكامل. تطلق محاليل كبريتيد الصوديوم غاز كبريتيد الهيدروجين ، وهو أمر خطير للغاية.

يجب استخدام حاويات كبريتيد الصوديوم المفتوحة والمحاليل المحتوية على الكبريتيد داخل غطاء الدخان والتعامل معها وفقا لإرشادات ورقة بيانات سلامة المواد ، ويجب التخلص من المحاليل المستخدمة وغير المستخدمة كنفايات خطرة. المداخن الحرارية المائية التي رأيناها للتو تزرع في المختبر مصنوعة من معادن مسامية ، بشكل أساسي كبريتيدات الحديد وهيدروكسيد الحديد. ونعتقد أنها ستعمل كمحفزات في الحياة المبكرة ، وهي متشابهة جدا في هيكلها مع المحفزات والإنزيمات التي لدينا حتى في جلدنا حتى يومنا هذا.

يمكن استخدام هذه التجربة لمحاكاة البيئات الجيولوجية المختلفة ، ولكنها قابلة للتطبيق أيضا من علم المواد لأن هناك الكثير من الاهتمام بتعلم كيفية التحكم في نمو هذه الهياكل ذاتية التجميع من خلال التلاعب بمعلمات التجربة ، وربما أيضا لإنشاء هياكل ومواد يمكن أن تكون بمثابة محفزات لتفاعلات مختلفة.