化工园为直通式反应器模拟自然热液系统

以下实验的总体目标是使用化学花园实验模拟在早期地球海底热液喷口沉淀的天然烟囱，以生成小规模的自组装结构。这是通过首先准备两种溶液来实现的。一种解决方案模拟早期地球海水的成分，另一种解决方案模拟水岩反应产生的碱性热液流体。

接下来，设置一个装置，以便可以在缺氧气氛下将热液状流体注入模拟海洋的储层中。作为第三步，设置电极以在注入过程中测量热液溶液和海洋溶液之间的电压。最后，将热液状溶液缓慢注入装有模拟海洋溶液的小瓶底部，模拟喷口液从海洋地壳中自然渗出并进入周围的海水。

结果表明，在海洋和热液溶液的界面处形成矿物沉淀物，并发展成类似于天然热液烟囱潜艇的自组装化学花园结构。热液烟囱就像天然化学花园。我们认为，它们是在 44 亿年前在地球上产生的，它们由硫化铁和氢氧化铁组成，大部分含有少量二氧化硅。

它们的行为就像在碱性溶液进入海洋的地方产生的皮肤，海洋有点酸性。在两者之间的界面处，它们沉淀了这些矿物质，正如我所说，看起来更像皮肤。事实上，我们可以将它们与我们今天所知道的生活进行比较。

也就是说，生命的内部往往像我们一样具有碱性。而且它往往更像酸性的外观。我的意思是，我可以轻率地说，我们喜欢 pH 值为 5.5 的洗发水。

例如，我们喜欢酸性苏打水。但我们也喜欢喝碱性饮料来保持健康，因为毕竟我们的室内是健康的，就像天然化学花园一样。我们今天在实验室中看到的事实是，这些化学花园的内部是碱性的。

外表是酸性的。它有点被氧化了，我们已经发生了，这些化学园区在两者之间施加了一个化学梯度，即 pH 值和氧化还原的化学梯度，它们的总和大约是半伏特，这大约是驱动生命所需的电化学能量。我们认为，这恰好在 40 亿年前推动生命在海底的化学花园之一中出现。

这个实验使我们能够模拟不同的行星条件，如海洋、热液流体、大气，但也允许我们模拟改变特定实验参数的影响以及这将对系统产生什么影响。最初，我们研究的化学园直接从试管内的晶体中生长出来，但我们无法测量膜电位，因为我们无法直接在膜内部找到一根电线。因此，为了做到这一点，我们开发了一种新方法。

这是一种注入方法，我们将热液模拟剂注入储层中的海洋液体中。这使我们能够使用自动数据记录器来测量膜生长过程中的膜电位。那些不熟悉这种方法的人可能难以种植结构良好的化学花园并将病毒定位到电压测量的气需求中。

但是，通过故障排除，他们可以解决所有这些问题。首先使用玻璃切割机切下 100 毫升透明玻璃钳口血清瓶的底部，用于注射瓶。此外，收集 20 毫米隔垫、20 毫米铝制压接密封和 0.5 至 10 微升塑料移液器吸头。

使用 16 号注射器针头，小心地在隔膜中心穿刺一个孔，然后将针头取出并丢弃在适当的锐器废物容器中。接下来，将移液器吸头插入针孔，将移液器吸头推入隔膜，使其从另一侧伸出。用移液器吸头将隔膜压接到注射容器上。

要使防水密封进行风封，请将移液器吸头进一步推入隔垫，使其突出到外部。然后将一根内径为 16 英寸的透明、灵活且耐化学腐蚀的试管固定在移液器吸头上。将管路向上滑到移液器吸头上为了形成防水密封，请确保管路足够长，以便从注射瓶到达注射泵。

接下来，将注射样品瓶夹在通风橱内的支架上，以便注射液从样品瓶底部进入。剪断两根绝缘线，使其长度足以从反应容器内部到达数据记录器。在电线上留出一点松弛度以进行定位。

接下来，从位于另一端反应瓶内的每根电线的末端剥去约 3 毫米的绝缘层。这将连接到万用表引线。剥去约 1 厘米的金属丝，将一根金属丝插入化学花园内靠近移液器吸头开口的金属丝，以确保与注射液接触，但不要太远，以免堵塞注射液。

然后用胶带将电线的两端固定到位。然后放置外线，使其接触溶液储液器，而不是化学花园沉淀物。接下来，将电线的自由端连接到数据记录器上，以保持溶液储液罐上方的顶部空间。

IC 建立了氮气管道。将来自氮气源罐的气体进料分成几管，以便每个注射瓶都有一个进料。为每个反应瓶制备 200 毫升储液，也称为海洋模拟液，首先用氮气将去离子水鼓泡约 15 分钟/100 mL。

这确保了实验在整个注射过程中保持缺氧状态。然后称出并加入 25 毫摩尔铁、两个氯化物四元和 75 毫摩尔铁。三氯化物 六水合物 到水中。

轻轻搅拌混合物以溶解离子，而不将氧气引入混合物中。离子溶解后，立即用氮气恢复溶液的轻微鼓泡。在制备注射液时，从此处显示的表中选择任意两种主要注射液，并制备每种溶液 10 mL。

然后将每种溶液填充到 10 毫升注射器中至 7 毫升标记处，盖上盖子并放在一边。接下来，在通风橱中制备 20 毫升 50 毫摩尔硫化钠作为二次注射。将两个 10 毫升注射器装满至 7 毫升标记 用溶液装回针帽并将其放在一边。

将初级注射注射器固定到通风橱内的可编程注射泵上。将进样速率设置为每分钟 1 毫升，然后打开泵，直到两个注射器都开始滴入废液烧杯中。然后停止注射。

接下来，将装有去离子水的注射器插入两个塑料注射管中并注射，使水充满透明管，直到进入主储液器的孔。然后将注射器放在注射瓶上方的支架上。然后小心地将 100 毫升含铁储液槽溶液倒入每个小瓶中。

使用 perfil 小心地在样品瓶上形成气密密封，并将氮气进料插入每个样品瓶中。根据需要调整氮气管线的流量，以在注射期间保持实验缺氧。接下来，将装满水的注射器一次一个地放在初级注射注射器旁边。

小心地滑下塑料注射管，并立即将其直接转移到初级注射注射器针头之一上。注意不要刺穿管壁。然后将注射泵设置为以每小时 2 毫升的速度运行三个小时，并同时开始注射。

开始记录膜电位。三小时后停止注射泵。化学花园结构形成后，小心地从注射泵中取出初级注射注射器，但要将它们连接到管道上，以免干扰结构。

将它们放在支架上，高于样品瓶中液体的液位，这样液体就不会流回注射器中。接下来，将辅助注射注射器（在本例中由硫化钠组成）固定到注射泵上，并灌注针头，直到两者都开始滴注，将硫化物溶液丢弃在特殊的危险废物容器中。然后从注射泵中一次取出一个注射器，并将管路从初级注射注射器转移到含硫化钠的注射器上。

对注射泵进行重新编程，以每小时 2 毫升的速度注入溶液，然后点击开始，以此速率注入硫化钠溶液，持续 3 小时。一旦初级注入溶液被送入储液中，化学花园沉淀开始在流体界面处形成，并且在环境扫描电子显微镜下，这种结构在注入过程中继续增长，在丙氨酸存在下形成的初级沉淀物在无定形中显得更圆润，而纯氢氧化铁沉淀物以及含有焦磷酸盐的沉淀物在初级沉淀物之后显得更结晶注射。电位趋于 0.45 至 0.55 伏特左右立即达到峰值，然后下降约一小时，然后在初级注入的其余部分稳定在 0.1 至 0.2 伏特左右。

当初级注射器切换到含有硫化钠的二级注射器时，化学园继续生长，除了可见的新生长物现在是黑色的硫化铁。化学园的黑色硫化物部分似乎没有形成现有的墙壁，而是分叉并单独生长。硫化物注射液一到达化学园，膜电位立即跃升至约 0.9 伏。

您可以使用许多可能的解决方案组合来发展您的化学花园。只要您的化学花园结构完全形成，也可以在实验过程中随时将注射速率从较快的速率更改为较慢的速率，并将初级注射更改为次级注射。硫化钠溶液放出硫化氢气体，极其危险。

通风橱内必须使用敞开的硫化钠容器和含硫化物的溶液，并根据材料安全数据表指南进行处理，使用过和未使用的溶液都必须作为危险废物处理。我们刚刚在实验室中看到的热液烟囱是由多孔矿物制成的，基本上是硫化铁和氢氧化铁。我们认为它们会成为早期生命的催化剂，而且它们在结构上与我们今天自己皮肤中的催化剂和酶非常相似。

这个实验可以用来模拟不同的地质环境，但也适用于材料科学，因为人们非常有兴趣学习如何通过纵实验参数来控制这些自组装结构的生长，也可能用于创建可以作为不同反应催化剂的结构和材料。