ケミカル・ガーデンフロースルーリアクターのシミュレーション自然熱水系など

次の実験の全体的な目標は、化学庭園実験を使用して、初期の地球の海底熱水噴出孔に沈殿した自然の煙突をシミュレートし、小規模で自己組織化構造を生成することです。これは、最初に2つの溶液を準備することによって達成されます。1つの解は初期の地球海水の組成をシミュレートし、もう1つの解は水の岩石反応によって生成されたアルカリ性熱水流体をシミュレートします。

次に、無酸素雰囲気下で模擬海洋の貯留層に熱水のような流体を注入するための装置を設置します。第3のステップとして、注入中の熱水溶液と海洋溶液の間の電圧を測定するための電極を設定します。最後に、熱水様溶液は、シミュレートされた海洋溶液を含むバイアルの底部にゆっくりと注入され、海洋地殻から周囲の海水に噴出孔流体が自然に浸透するのを模倣します。

その結果、海洋と熱水溶液の界面に鉱物沈殿物が形成され、これが天然の熱水チムニー潜水艦に似た自己組織化化学庭園構造に発展することが示されました。熱水の煙突は、まるで自然の化学庭園のようです。それらは、地球上で約44億年前に生成され、硫化鉄と水酸化鉄でできており、その大部分は少量のシリカでできています。

そして、それらは、やや酸性のアルカリ溶液が海に流れ込む場所で生成された皮膚のように振る舞います。そして、2つの間の界面で、それらはこれらのミネラルを沈殿させます、私が言うように、むしろ皮膚のように見えます。実際、それらを今日私たちが知っている生活と比較することができます。

つまり、例えば、生命体は私たちと同じようにアルカリ性の内部を持つ傾向があります。そして、それはむしろ酸性の外装を好む傾向があります。つまり、私たちはpH5.5のpHシャンプーが好きだと軽率に言えるかもしれません。

例えば、酸性のソーダポップが好きです。しかし、結局のところ、私たちのインテリアは自然の化学庭園のように健康であるため、健康を維持するためにアルカリ性の飲み物を飲むのも好きです。そして、今日、研究室で見たのは、これらの化学庭園の内部がアルカリ性であるという事実です。

外装は酸性です。それはやや酸化されており、何が起こるかというと、これらの化学ガーデンは、pHと酸化還元の化学的勾配を2つに押し付け、それらを合計すると約半ボルトになり、これは生命を駆動するために必要な電気化学的エネルギーの量とほぼ同じです。そして、これは、40億年前に海底のこれらの化学庭園の1つで生命を誕生させるのにちょうどよかったと感じています。

この実験では、海洋、熱水流体、大気などのさまざまな惑星条件をシミュレートできるだけでなく、特定の実験パラメータを変更した場合の影響や、それがシステムにどのような影響を与えるかをシミュレーションすることもできます。もともとは、試験管内の結晶から直接成長するケミカルガーデンの研究をしていたのですが、膜自体に直接ワイヤーを入れることができなかったため、膜電位を測定することができませんでした。そこで、そのために新しい方法を開発しました。

貯留層内の海洋流体に熱水模擬物質を注入する注入方法です。これにより、自動データロガーを使用して、膜の成長に対する膜電位を測定することができました。この方法に不慣れな人は、きれいに構造化されたケミカルガーデンを育て、電圧測定のための気のニーズにウイルスを配置するのに苦労するかもしれません。

ただし、トラブルシューティングを行うことで、これらすべての問題を解決できます。まず、ガラスカッターを使用して、100ミリリットルの透明なガラス製クリンプトップセラムボトルの底を切り取り、注射バイアルを使用します。また、20ミリメートルのセプタム、20ミリメートルのアルミニウムクリンプシール、および0.5〜10マイクロリットルのプラスチックピペットチップも収集します。

16ゲージの注射針を使用して、中隔の中央に穴を慎重に開け、針を取り外して適切な鋭利物廃棄物容器に廃棄します。次に、ピペットの先端を針穴に挿入し、ピペットの先端を中隔に押し込んで反対側を突き出します。ピペットチップでセプタムを注入容器にクリンプシールします。

防水シールを風で密閉するには、ピペットの先端をセプタムをさらに押して外側に突き出させます。次に、内径16インチの透明で柔軟性があり、耐薬品性のあるチューブをピペットチップに取り付けます。チューブをピペットチップにスライドさせます 防水シールを作成するには、チューブが注入バイアルからシリンジポンプまで届くのに十分な長さであることを確認してください。

次に、注入バイアルをヒュームフード内のスタンドに固定して、注入がバイアルの底から供給されるようにします。2本の絶縁ワイヤを切断し、反応容器内からデータロガーまで届く長さにします。位置決めのためにワイヤーに少したるみを残します。

次に、反応バイアルの内側のもう一方の端に配置される各ワイヤの端から約3ミリメートルの絶縁体を剥がします。これはマルチメータリード線に接続されます。ワイヤーの約1センチメートルを剥がし、1本のワイヤーを挿入します。これは、注入溶液との接触を確保するために、ピペットチップの開口部に近い化学庭園の内側にあるワイヤーですが、注入の流れを詰まらせるほどではありません。

次に、ワイヤーの両端をテープで固定します。次に、外側のワイヤーを溶液リザーバーに接触させますが、化学庭園の沈殿物には接触しないように配置します。次に、ワイヤーの自由端をデータロガーに取り付けて、ヘッドスペースを溶液リザーバーの上に保ちます。

また、ICは窒素ガスラインを設置しました。窒素源タンクからのガス供給をいくつかのチューブに分割して、各注入バイアルに1つの供給があるようにします。最初に脱イオン水を窒素ガスで100ミリリットルあたり約15分間泡立てることにより、各反応バイアルの海洋類似物質としても知られる200ミリリットルの貯留層溶液を調製します。

これにより、実験は注射中ずっと無酸素状態のままになります。次に、25ミリモルの鉄、2つの塩化テトラ、75ミリモルの鉄を計量して加えます。水に3つの塩化物六水和物。

混合物を穏やかに攪拌して、混合物に酸素を導入せずにイオンを溶解します。イオンが溶解した後、直ちに窒素ガスによる溶液の軽いバブリングを再開します。注射液を調製している間に、ここに示す表から一次注射液のいずれか2つを選択し、各溶液を10ミリリットル調製します。

次に、10ミリリットルの注射器に各溶液を7ミリリットルのマークまで満たし、キャップをして脇に置きます。次に、二次注入としてヒュームフードに20ミリリットルの50ミリリットルの硫化ナトリウムを準備します。2つの10ミリリットルシリンジを7ミリリットルマークまで満たします溶液で、針キャップを交換して脇に置きます。

一次注入シリンジをヒュームフード内にあるプログラム可能なシリンジポンプに固定します。注入速度を1分あたり1ミリリットルに設定し、両方のシリンジが廃棄物ビーカーに滴り始めるまでポンプをオンにします。その後、注射を止めます。

次に、脱イオン水が入ったシリンジを2本のプラスチック注入チューブに挿入し、水が透明なチューブをメインリザーバーに入る開口部まで満たすように注入します。次に、注射器を注射バイアルの上のスタンドに置きます。次に、100ミリリットルの鉄含有リザーバー溶液を各バイアルに慎重に注ぎます。

パーフィルを使用してバイアル上に気密シールを慎重に作成し、各バイアルに窒素供給を挿入します。必要に応じて窒素ガスラインの流れを調整し、注入期間中、実験を無酸素状態に保ちます。次に、水で満たされたシリンジを一度に1つずつ一次注射シリンジの隣に持ってきます。

プラスチック製の注入チューブを慎重にスライドさせて外し、すぐに一次注射針の1つに直接移します。.チューブの壁に穴を開けないように注意してください。次に、シリンジポンプを毎時2ミリリットルで3時間稼働するように設定し、同時に注入を開始します。

膜電位の記録を開始します。3時間後にシリンジポンプで停止を押します。ケミカルガーデン構造が形成されたら、一次注射シリンジをシリンジポンプから慎重に取り外しますが、構造が乱されないようにチューブに接続したままにしておきます。

バイアル内の液体のレベルより上のスタンドにセットして、液体がシリンジに逆流しないようにします。次に、二次注射シリンジ(この場合は硫化ナトリウムからなる)をシリンジポンプに固定し、両方が硫化物溶液を特別な有害廃棄物容器に廃棄し始めるまでニードルをプライミングします。次に、シリンジポンプからシリンジを一度に1つずつ取り外し、一次注射シリンジからチューブを硫化ナトリウム含有シリンジに移します。

シリンジポンプを再プログラムして、1時間あたり2ミリリットルで溶液を注入し、この速度で硫化ナトリウム溶液を3時間注入します。一次注入液がリザーバー溶液に供給されると、化学庭園沈殿物が流体界面で形成され始め、この構造は環境走査型電子顕微鏡下での注入の過程で成長し続け、アラニンの存在下で形成された一次沈殿物はアモルファスでより丸みを帯びたように見えましたが、純粋な酸化鉄水酸化物沈殿物およびピロリン酸を含む沈殿物は、一次析出液に続いてより結晶性に見えました注射。電位は、約0.45〜0.55ボルトですぐにピークに達する傾向があり、その後約1時間減少した後、残りの一次注射では約0.1〜0.2ボルトで安定しました。

一次注射器が硫化ナトリウムを含む二次注射器に切り替えられたとき、化学庭園は成長し続けましたが、目に見える新しい成長は黒色硫化鉄になりました。化学庭園の黒い硫化物部分は、既存の壁に寄与するのではなく、枝分かれして別々に成長しているように見えました。硫化物注入液がケミカルガーデンに到達するとすぐに、膜電位はすぐに約0.9ボルトに跳ね上がりました。

あなたがあなたの化学庭園を育てるために使用できる解決策の多くの可能な組み合わせがあります。また、化学ガーデンの構造が完全に形成されている限り、実験中いつでも注入速度を速い速度から遅い速度に変更したり、一次注入を二次注入に変更したりすることもできます。硫化ナトリウム溶液は硫化水素ガスを放出しますが、これは非常に危険です。

開いた硫化ナトリウム容器と硫化物含有溶液は、ヒュームフード内で使用し、使用済みおよび未使用の溶液の両方を有害廃棄物として処分しなければならない製品安全データシートのガイドラインに従って取り扱う必要があります。私たちが研究室で育てているところを見たばかりの熱水煙突は、多孔質の鉱物、基本的に硫化鉄と水酸化鉄でできています。そして、それらは幼少期の触媒として作用すると考えられており、今日まで私たち自身の皮膚にさえ持っている触媒や酵素と構造が非常に似ています。

この実験は、さまざまな地質環境をシミュレートするために使用できますが、実験のパラメータを操作してこれらの自己組織化構造の成長を制御する方法を学ぶことや、おそらくさまざまな反応の触媒として機能する可能性のある構造や材料を作成することに多くの関心が寄せられているため、材料科学からも適用できます。