Giardini chimici come flusso attraverso Reattori simulando naturali idrotermali Sistemi

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di simulare camini naturali precipitati presso le bocche idrotermali sottomarine della Terra primordiale utilizzando esperimenti di giardini chimici per generare le strutture autoassemblanti su piccola scala. Ciò si ottiene preparando prima due soluzioni. Una soluzione simula la composizione dell'acqua di mare della Terra primordiale e una soluzione simula un fluido idrotermale alcalino prodotto dalle reazioni delle rocce acquatiche.

Successivamente, viene allestito un apparato in modo che il fluido idrotermale possa essere iniettato in un serbatoio dell'oceano simulato sotto un'atmosfera anossica. Come terza fase, gli elettrodi vengono impostati per misurare la tensione tra le soluzioni idrotermali e oceaniche durante l'iniezione. Infine, la soluzione idrotermale viene iniettata lentamente nella base di una fiala contenente la soluzione oceanica simulata, imitando l'infiltrazione naturale del fluido di sfiato fuori dalla crosta oceanica e nell'acqua di mare circostante.

I risultati mostrano che un precipitato minerale si forma all'interfaccia tra l'oceano e le soluzioni idrotermali, e questo si sviluppa in una struttura di giardino chimico autoassemblante simile a un camino idrotermale naturale sottomarino. I camini idrotermali sono proprio come i giardini chimici naturali. Sono stati generati, pensiamo sulla terra, circa 4,4 miliardi di anni fa, e sono fatti di solfuri di ferro e idrossidi di ferro, per la maggior parte con un po' di silice.

E si comportano come una pelle che si genera dove le soluzioni alcaline salgono nell'oceano, che è un po' acido. E all'interfaccia tra i due, precipitano questi minerali, come ho detto, assomigliando piuttosto a una pelle. In effetti, si potrebbero paragonare alla vita come la conosciamo oggi.

E cioè che la vita tende ad avere un interno alcalino come noi, per esempio. E tende ad amare piuttosto gli esterni acidi. Voglio dire, posso dire con leggerezza che ci piace uno shampoo con pH 5,5.

Ci piacciono le bibite acide, ad esempio. Ma ci piace anche bere bevande alcaline per mantenerci in salute perché, dopo tutto, i nostri interni sono sani, proprio come i giardini chimici naturali. E quello che abbiamo visto oggi in laboratorio è il fatto che l'interno di questi giardini chimici è alcalino.

L'esterno è acido. È un po' ossidato, e quello che succede è che questi giardini chimici impongono un gradiente chimico tra i due, i gradienti chimici di pH e Redox, e si sommano a circa mezzo volt, che è circa la quantità di energia elettrochimica necessaria per guidare la vita. E riteniamo che questo sia stato giusto per guidare la vita ad essere in primo luogo in uno di questi giardini chimici sul fondo dell'oceano 4 miliardi di anni fa.

Questo esperimento ci permette di simulare diverse condizioni planetarie come oceani, fluidi idrotermali, atmosfere, ma ci permette anche di simulare gli effetti della modifica di specifici parametri sperimentali e quale effetto avrà sul sistema. Inizialmente, stavamo studiando giardini chimici che crescevano direttamente da cristalli all'interno di provette, ma non siamo stati in grado di misurare il potenziale della membrana perché non potevamo ottenere un filo direttamente all'interno della membrana stessa. Quindi, per fare questo, abbiamo sviluppato un nuovo metodo.

Si tratta di un metodo di iniezione in cui abbiamo iniettato un simulante idrotermale nel fluido oceanico in un serbatoio. Questo ci ha permesso di utilizzare un data logger automatizzato per misurare il potenziale della membrana durante la crescita della membrana. Coloro che sono nuovi a questo metodo possono avere difficoltà a coltivare giardini chimici ben strutturati e a posizionare il virus nelle esigenze del chi per la misurazione della tensione.

Tuttavia, risolvendo i problemi, possono risolvere tutti questi problemi. Inizia usando un tagliavetro per tagliare il fondo di un flacone di siero con tappo a crimpare in vetro trasparente da 100 millilitri per utilizzare la fiala di iniezione. Raccogli anche un setto da 20 millimetri, un sigillo a crimpare in alluminio da 20 millimetri e un puntale per pipette in plastica da 0,5 a 10 microlitri.

Utilizzando un ago per siringa calibro 16, praticare con cura un foro al centro del setto, quindi rimuovere e gettare l'ago nell'apposito contenitore per rifiuti taglienti. Quindi, inserire la punta della pipetta nel foro dell'ago e spingere la punta della pipetta attraverso il setto in modo che fuoriesca dall'altro lato. Sigillare a crimpare il setto con la punta della pipetta sul recipiente di iniezione.

Per realizzare una tenuta stagna sigillata al vento, spingere ulteriormente il puntale della pipetta attraverso il setto in modo che sporga verso l'esterno. Quindi applicare un tubo da 16 pollici di diametro interno, trasparente, flessibile e resistente agli agenti chimici sulla punta della pipetta. Far scorrere il tubo verso l'alto sulla punta della pipetta Per creare una tenuta stagna, assicurarsi che il tubo sia sufficientemente lungo da poter raggiungere il flaconcino di iniezione e la pompa a siringa.

Quindi, clamp le fiale di iniezione su un supporto all'interno di una cappa aspirante in modo che l'iniezione venga alimentata dal fondo della fiala. Tagliare due lunghezze di fili isolati in modo che siano abbastanza lunghi da raggiungere l'interno dei recipienti di reazione al registratore di dati. Lasciare un po' di gioco nei fili per il posizionamento.

Quindi, spellare circa tre millimetri di isolamento dall'estremità di ciascun filo che si troverà all'interno della fiala di reazione alle altre estremità. Questo sarà collegato ai cavi del multimetro. Spelare circa un centimetro del filo, inserire un filo, il filo che si troverà all'interno del giardino chimico, vicino all'apertura della punta della pipetta, per garantire il contatto con la soluzione iniettabile, ma non così lontano da ostruire il flusso di iniezione.

E poi fissare entrambe le estremità dei fili in posizione usando del nastro adesivo. Quindi posizionare il filo esterno in modo che entri in contatto con il serbatoio della soluzione, ma non con il precipitato chimico del giardino. Quindi, collegare le estremità libere dei fili al registratore di dati per mantenere lo spazio di testa sopra il serbatoio della soluzione.

E IC ha installato le linee del gas azoto. Dividere l'alimentazione del gas da un serbatoio di azoto in più tubi in modo che vi sia un'alimentazione per ogni fiala di iniezione. Preparare 200 millilitri della soluzione del serbatoio, nota anche come simulante oceanico, per ogni fiala di reazione, facendo gorgogliare prima acqua deionizzata con azoto gassoso per circa 15 minuti per 100 millilitri.

Ciò garantisce che l'esperimento rimanga anossico per tutta l'iniezione. Quindi pesare e aggiungere 25 millimolari di ferro, due tetra cloruro e 75 millimolari di ferro. Tre cloruro esaidrato nell'acqua.

Mescolare delicatamente la miscela per sciogliere gli ioni senza introdurre ossigeno nella miscela. Dopo che gli ioni sono stati disciolti, riprendere immediatamente il gorgogliamento leggero della soluzione con azoto gassoso. Mentre le iniezioni vengono preparate, scegliere due delle soluzioni di iniezione primarie dalla tabella mostrata qui e preparare 10 millilitri di ciascuna soluzione.

Quindi riempire una siringa da 10 millilitri fino al segno di sette millilitri con ciascuna delle soluzioni, tapparle e metterle da parte. Successivamente, preparare 20 millilitri di solfuro di sodio da 50 millimolari nella cappa aspirante come iniezione secondaria. Riempi due siringhe da 10 millilitri fino al segno di sette millilitri Con la soluzione, riposizionare i cappucci degli aghi e metterli da parte.

Fissare le siringhe di iniezione primaria su una pompa a siringa programmabile che si trova all'interno della cappa aspirante. Impostare la velocità di iniezione su un millilitro al minuto e accendere la pompa fino a quando entrambe le siringhe iniziano a gocciolare nel becher dei rifiuti. Quindi interrompa l'iniezione.

Quindi, inserire le siringhe contenenti acqua deionizzata nei due tubi di iniezione in plastica e iniettare in modo che l'acqua riempia il tubo trasparente fino all'apertura dove entra nel serbatoio principale. Quindi posizionare le siringhe sul supporto sopra i flaconcini di iniezione. Quindi versare con cura 100 millilitri della soluzione del serbatoio contenente ferro in ogni fiala.

Creare con cura una chiusura ermetica sulle fiale utilizzando perfil e inserire un'alimentazione di azoto in ciascuna fiala. Regolare il flusso delle linee di azoto gassoso come desiderato per mantenere l'esperimento anossico per tutta la durata delle iniezioni. Quindi, portare le siringhe piene d'acqua una alla volta accanto alle siringhe per iniezione primaria.

Sfilare con cautela il tubo di iniezione in plastica e trasferirlo immediatamente direttamente su uno degli aghi della siringa per iniezione primaria. Fare attenzione a non forare la parete del tubo. Quindi impostare la pompa a siringa in modo che funzioni a due millilitri all'ora per tre ore e iniziare l'iniezione allo stesso tempo.

Avviare la registrazione del potenziale di membrana. Premere l'arresto della pompa a siringa dopo tre ore. Una volta che le strutture chimiche del giardino si sono formate, rimuovere con cautela le siringhe di iniezione primaria dalla pompa a siringa, ma lasciarle collegate al tubo in modo che le strutture non vengano disturbate.

Posizionarli sul supporto sopra il livello del fluido nei flaconcini in modo che il fluido non rifluisca nella siringa. Quindi, fissare le siringhe per iniezione secondaria, che in questo caso sono costituite da solfuro di sodio, alla pompa a siringa e adescare l'ago fino a quando entrambe iniziano a gocciolare, smaltire la soluzione di solfuro in un apposito contenitore per rifiuti pericolosi. Quindi rimuovere le siringhe una alla volta dalla pompa a siringa e trasferire il tubo dalla siringa per iniezione primaria alla siringa contenente solfuro di sodio.

Riprogrammare la pompa a siringa per iniettare la soluzione a due millilitri all'ora e premere start per iniettare la soluzione di solfuro di sodio a questa velocità per tre ore. Una volta che la soluzione di iniezione primaria viene immessa nella soluzione del serbatoio, un precipitato chimico inizia a formarsi all'interfaccia del fluido e questa struttura continua a crescere nel corso dell'iniezione al microscopio elettronico a scansione ambientale, i precipitati primari formati in presenza di alanina apparivano più arrotondati in amorfo, mentre i precipitati di ossidrossido di ferro puro e quelli contenenti pirofosfato apparivano più cristallini dopo il iniezione. Il potenziale tendeva a raggiungere immediatamente un picco compreso tra 0,45 e 0,55 volt, per poi diminuire per circa un'ora prima di stabilizzarsi intorno a 0,1-0,2 volt per il resto dell'iniezione primaria.

Quando le siringhe primarie sono state sostituite con le siringhe secondarie contenenti solfuro di sodio, il giardino chimico ha continuato a crescere, tranne per il fatto che le nuove crescite visibili erano ora solfuro di ferro nero. Piuttosto che contribuire ai muri esistenti, le porzioni di solfuro nero del giardino chimico sembravano ramificarsi e crescere separatamente. Non appena la soluzione di iniezione di solfuro ha raggiunto il giardino chimico, il potenziale della membrana è immediatamente balzato a circa 0,9 volt.

Ci sono molte possibili combinazioni di soluzioni che puoi utilizzare per coltivare i tuoi giardini chimici. È anche possibile modificare la velocità di iniezione da una velocità più veloce a una più lenta e cambiare l'iniezione primaria a una secondaria in qualsiasi momento durante l'esperimento, purché la struttura chimica del giardino sia completamente formata. Le soluzioni di solfuro di sodio rilasciano idrogeno solforato, che è estremamente pericoloso.

contenitori aperti di solfuro di sodio e le soluzioni contenenti solfuro devono essere utilizzati all'interno della cappa e maneggiati secondo le linee guida della scheda di sicurezza dei materiali, sia le soluzioni utilizzate che quelle non utilizzate devono essere smaltite come rifiuti pericolosi. I camini idrotermali che abbiamo appena visto crescere in laboratorio sono fatti di minerali porosi, fondamentalmente solfuri di ferro e idrossidi di ferro. E pensiamo che agiranno come catalizzatori nei primi anni di vita, e sono molto simili nella struttura ai catalizzatori e agli enzimi che abbiamo anche nella nostra pelle fino ad oggi.

Questo esperimento può essere utilizzato per simulare diversi ambienti geologici, ma è applicabile anche da una scienza dei materiali perché c'è molto interesse nell'imparare come controllare la crescita di queste strutture autoassemblanti manipolando i parametri dell'esperimento, e forse anche per creare strutture e materiali che potrebbero fungere da catalizzatori per diverse reazioni.