Name: Jardins químicos como Fluxo através Reatores simulando Naturais sistemas hidrotérmicos (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-11-18T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 55 s
Description: Explore a formação de jardins químicos em reatores de fluxo simulando sistemas hidrotermais naturais. Este método permite estudar processos geoquímicos e as origens da vida na Terra.

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Esta pesquisa foi realizada no Laboratório de Propulsão a Jato, Instituto de Tecnologia da Califórnia, sob um contrato com a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço. Reconhecemos o apoio do Instituto de Astrobiologia da NASA (Icy Worlds). O L.M.B. é apoiado pelo NAI por meio do Programa de Pós-Doutorado da NASA, administrado pela Oak Ridge Associated Universities por meio de um contrato com a NASA. J.E.N. foi apoiado por um Departamento de Educação dos EUA PR / Award #: P031C110019 administrado pelo Citrus College. Reconhecemos discussões úteis com membros do Grupo Focal de Termodinâmica, Desequilíbrio e Evolução da NAI e do Blue Marble Space Institute of Science.

1. Considerações de segurança <ol><li> Use equipamento de protecção pessoal (bata de laboratório, óculos de proteção, luvas de borracha nitrílica, sapatos adequados) para prevenir contra vazamentos químicos ou ferimentos. Usar seringas e agulhas, e tomar cuidado para não perfurar luvas. Tome cuidado durante a instalação do experimento para verificar o aparelho para vazamentos realizando a primeira injeção com duas vezes destilada H 2 O (DDH 2 O), e verificar a estabilidade dos tubos de ensaio sobre o suporte, antes de adicionar produtos químicos. </li><li> Realizar esta experiência com qualquer receita jardim química, mas um dos reagentes que usamos para simular aberturas de profundidade é um produto químico perigoso, sulfeto de sódio; portanto, fazer todo o experimento dentro de um exaustor para evitar a exposição. <ol><li> Apenas abrir a garrafa de sulfureto de sódio no exaustor de fumos e colocar um equilíbrio no interior do exaustor de fumos para a pesagem de sulfureto. Mantenha sempre soluções contendo sulfureto dentro da coifa como eles liberam tóxico H2S gás, e também manter sulfide líquido, farelos, e contentores de resíduos sólidos na coifa. Outro reagente de interesse é Fe (II) Cl 2 • 4H 2 O, que oxidam quando expostas ao ar, por isso tome cuidado para manter as soluções anóxica e crescer jardins químicas no âmbito de um espaço superior anóxica (por exemplo, N 2 ou Ar), sempre dentro um exaustor ou caixa de luvas. </li></ol></li></ol> 2. Instalação para Experimentos Injeção <ol><li> Crie vidro &quot;frascos para injectáveis&quot;, cortando a parte inferior 1 cm de um 100 ml de vidro transparente friso parte superior do frasco de soro (20 mm friso selo tipo de fechamento) com um cortador de vidro, de modo que, quando invertido, o navio está aberto para o ar. Como estes são reutilizáveis, limpe os frascos em um 1 M HCl banho de ácido O / N, e depois enxaguar bem com ddH2O antes de uma nova experiência. </li><li> Prepare os frascos de injecção (Figura 1). <ol><li> Recolha um septo 20 mm, 20 milímetros de alumínio friso de vedação, e uma 0,5-10 ul pipeta de plástico ponta. Utilizando uma seringa 16 G NEedle, perfure cuidadosamente um buraco no centro do septo, em seguida, remover e eliminar a agulha no recipiente de resíduos perfurocortantes apropriado. </li><li> Insira a ponta da pipeta para o buraco da agulha, para o lado do septo de borracha que vai enfrentar dentro do top friso do frasco. Empurre a ponta da pipeta através do septo para que ele pica para fora do outro lado. </li><li> Crimp-selar o septo com ponteira na embarcação injeção para fazer uma vedação estanque. Quando selado, empurrar a ponta da pipeta ainda mais através do septo, de modo que se projecta do lado de fora. </li><li> Apor 1/16 &quot;tubulação quimicamente resistentes clara flexível de diâmetro interno para a ponta da pipeta (comprimento da tubulação deve chegar a partir do frasco para injectáveis ​​para a bomba de seringa); deslize-o para uma vedação estanque. Nota: Este será o tubo de injecção, alimentado a partir da outra extremidade por uma seringa com agulha G 16. </li><li> Verifique se há vazamentos: Inserir uma seringa de 10 ml cheio com ddH2O com uma agulha G 16 na outra extremidade do tubo(suavemente deslize a tubulação reta na agulha e ter cuidado para não perfurar a parede do tubo). Injecte lentamente de modo que o ddH2O se move para cima do tubo e para dentro do fundo do vaso de reacção. Garantir que a seringa / tubo, tubo / ponta, e cravar os selos são à prova d&#39;água. </li></ol></li><li> Braçadeira os frascos de injecção sobre um suporte em um exaustor, de modo que a injecção será alimentado a partir do fundo do frasco. Nota: Vários frascos podem ser criados de uma só vez e alimentada simultaneamente por seringas separadas. </li><li> Configure eletrodos para medir o potencial de membrana através da parede dos jardins químicos. Sempre use a mesma convenção para que o chumbo é &quot;dentro&quot; e que é &quot;fora&quot; dos jardins químicos. <ol><li> Cortar comprimentos de fio isolado (por exemplo, cobre) que chegam do interior dos vasos de reacção para a liderança do multímetro ou data logger. Deixe um pouco de folga nos cabos de posicionamento. </li><li> Tira ~ 3 mm dofio desencapado nas extremidades que serão localizados dentro do tubo de reação. Nos outros fins que serão conectados aos fios multímetro, tira ~ 1 cm de fio. </li><li> Fixe os fios no lugar para medir o potencial de membrana em todo o jardim química. Para o fio que vai dentro do jardim química: insira-o na abertura da ponta da pipeta a partir do qual o fluido irá alimentar dentro do recipiente. </li><li> Empurrar o fio em levemente para assegurar o contacto com a solução de injecção, mas não tão longe que vai obstruir o fluxo de injecção. Para o exterior fio: Coloque-o para que ele estará em contato com o reservatório de solução, mas não com o precipitado jardim química. </li><li> Fita ou de outra forma fixar os fios, de modo que eles não podem mover-se dentro do frasco de injecção durante a experiência (Figura 2). </li><li> Prenda as outras extremidades dos fios para o multímetro, e prenda os fios para que esses fins também não se movem ao longo da experiência. </li></ol></li><li> Configure N 2 </sub&gt; linhas de gás que alimentam cada um dos frascos para injectáveis. <ol><li> Dividir a alimentação de gás a partir de uma fonte de N 2 em vários tubos, de modo que não é um N 2 para a alimentação de cada frasco para injecção. </li><li> Colocar cada tubo de N 2 de modo a que se alimenta no espaço livre de um dos frascos de injecção. </li></ol></li></ol> 3. Preparação de Soluções para o Crescimento Chemical Garden <ol><li> Preparar a solução de reservatório, 100 ml para cada experimento. Nota: Neste exemplo, utilizam 75 mM de Fe2 + e Fe3 + 25 mM como os catiões de precipitação (Tabela 1). <ol><li> Criar soluções anóxicas pela primeira borbulhando o ddH2O com N2 gasoso durante ~ 15 min por 100 ml. </li><li> Pesar e adicionar o FeCl 2 • 4H 2 O e FeCl3 • 6H 2 O, com agitação suave para dissolver (não vigorosamente de modo a não introduzir oxigénio). </li><li> Depois de os reagentes são dissolvidos, resum imediatamentee luz borbulhante do Fe 2+ / Fe 3+ solução com gás N2 enquanto injecções são preparadas. </li></ol></li><li> Escolha qualquer uma das duas soluções de injecção primários mostrados na Tabela 1, e preparar-se 10 ml de cada. Encha uma seringa de 10 ml até à marca de 7 mL com cada uma das soluções (uma seringa para cada solução). Substituir as tampas de agulhas e reserve. </li><li> Prepare 20 ml da solução de injeção secundário (sulfeto de sódio - CUIDADO). Apresentados na Tabela 1 Encha duas seringas de 10 ml para a marca de 7 ml com esta solução, recoloque as tampas de agulhas e reserve. Mantenha sempre soluções e seringas contendo sulfureto na coifa. </li><li> Encha novamente o DDH 2 O seringas de Passo 2.2.5; estes serão utilizados para lavar o tubo de injecção. </li></ol> 4. A partir da injeção primária <ol><li> Use registrador de dados desejado para membrana medições potenciais; medir o potencial de cada experimento em um separate canal, e definir a taxa de varredura para dar a quantidade desejada de pontos de dados (por exemplo, para uma injecção de 2 horas, a gravação potencial a cada 30 seg seria suficiente). </li><li> Fixar as seringas de injecção primária sobre a bomba de seringa programável no exaustor de fumos. </li><li> Use um copo de resíduos para pegar pinga e definir a bomba de seringa para injetar em um ritmo rápido até que as seringas ambos começam a escorrer para o copo. Em seguida, parar a injecção (de modo a garantir que as duas seringas começam a injectar-se exactamente o mesmo nível). </li><li> Re-programa a bomba de seringa para injectar a 2 ml por hora (para calibrar o tipo de seringa a ser utilizado), mas não atingiu início. </li><li> Inserir as ddH2O seringas nos dois tubos de injecção de plástico, e injectar de modo a que a água enche o tubo transparente até a abertura onde entra no reservatório principal. Coloque as seringas no stand, acima dos frascos para injectáveis. </li><li> Despeje 100 ml de solução reservatório do Fe 2+ / Fe 3+ em eACH frasco. </li><li> Ajustar o fluxo das linhas de gás N 2 como desejado para manter o experimento anóxica para a duração das injecções. </li><li> Cobrir cuidadosamente os frascos de reservatório com uma vedação hermética (por exemplo, usando Parafilm; não obstruir a vista através do vidro) e inserir um N 2 alimentação em cada frasco (Figura 3). </li><li> Traga os DDH 2 O (ainda seringas inseridos na tubulação) para baixo próximo à seringas de injeção primários. Deslize cuidadosamente o tubo de injecção de plástico fora do DDH 2 O seringa de agulha, e transferi-lo imediatamente diretamente em uma das agulhas de seringa de injeção primária. (Tome cuidado para não perfurar a parede do tubo.) </li><li> Comece a injecção, e inicia a gravação do potencial de membrana. </li></ol> 5. Começando a injeção secundária: <ol><li> Hit parada da bomba de seringa após 3 horas (depois de 6 ml foram injetados), estruturas do jardim uma vez químicos formaram (FiguRe 4), continuamente gerando um potencial de membrana (Figura 5). </li><li> Remova cuidadosamente as seringas de injeção primários da bomba de seringa (mas deixe-os conectados à tubulação de modo que as estruturas não são perturbados); colocá-las na posição acima do nível do líquido nos tubos de ensaio de modo a que o fluido não pode fluir para trás para dentro da seringa. </li><li> Prenda as seringas de injeção de sulfeto secundário para a bomba de seringa, e repita os passos 4.3 e 4.4. </li><li> Retirar as seringas secundárias um de cada vez a partir da bomba de seringa, e, ao mesmo tempo que prende as seringas acima do nível do líquido nos tubos de ensaio, repita a etapa 4.9, transferindo o tubo a partir das seringas primárias para as seringas secundários (Figura 6). Seja vigilante que a pressão do fluido a partir do reservatório para dentro da seringa não obrigar o fluido a fluir para dentro da seringa como este pode entrar em colapso o jardim química. </li><li> Quando a transferência estiver completa, segura com cuidado as seringas secundárias ao thbomba e seringa. </li><li> Re-programa a bomba de seringa para injectar a 2 ml por hora, e bateu começo para continuar a injecção com a nova solução de injecção. </li><li> Com segurança descartar as seringas de injeção primários. </li></ol> 6. Fim do Experimento <ol><li> Primeira parada da bomba de seringa, em seguida, parar a gravação do potencial de membrana e salvar os dados. </li><li> Desligue o fluxo de N 2 e remova as linhas eo Parafilm a partir dos vasos de injeção. </li><li> Se desejado, a amostra de solução reservatório ou precipitar para análise posterior. Para remover cuidadosamente a solução de reservatório e para não perturbar o precipitado, utilizar uma pipeta de 25 ml de uma pipetagem cuidadosa fora a solução reservatório em várias alíquotas e descartar a solução em um copo de resíduos. </li><li> Soltar os vasos de injecção um de cada vez e deitar a solução para uma proveta de transferência de resíduos no exaustor de fumos. Use ddH2O para lavar peças de precipitado. </li><li> Retire as seringas frosou a bomba de seringa, e extraí-los da tubulação, deixando fluido de injeção extra de correr para o copo de transferência de resíduos. Esvazie as seringas para o copo de resíduos e descarte das seringas em um recipiente de sulfeto de farelos mantido na capela. </li><li> Remova o tubo do frasco experimento e descartá-la em um saco de resíduos sólidos. Uncrimp o selo e dispor do septo, selo, e ponteira. </li><li> Enxaguar o experimento frasco de vidro e mergulhe-o em um 1 M HCl banho de ácido O / N. (ATENÇÃO - vidro que tem estado em contacto com sulfeto de sódio vai lançar tóxico H 2 S de gás quando colocado em ácido Mantenha banhos de ácido no interior do exaustor..) </li></ol>

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</ol>

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

A formação de uma estrutura de jardim química através do método de injecção pode ser conseguida por qualquer interface duas soluções contendo iões reactivos que produzem um precipitado. Existem muitos sistemas reaccionais possíveis que irão produzir estruturas precipitado e encontrar a receita certa de iões reactivos e concentrações para crescer uma estrutura desejada é uma questão de tentativa e erro. A taxa de fluxo da solução de injecção é controlada por uma bomba programável de seringa e isto também pode ser variada...

&quot;Jardins Químicas&quot; são precipitados inorgânicos auto-montagem desenvolvidos, onde dois fluidos de químicas contrastantes interagem 1,2. Estas estruturas inorgânicas de auto-montagem têm sido objeto de interesse científico por mais de um século, em parte devido à sua aparência biomimético, e muitos estudos experimentais e teóricos têm sido buscadas para entender os vários aspectos complexos e as possíveis funções dos sistemas de jardim químicos 3. Exemplos naturais de jardins químicos incluem minerais &quot;chaminé&quot; precipitados que crescem em torno fontes hidrotermais e afloramentos, e tem-se argumentado que estes poderiam fornecer ambientes plausíveis para a vida surgir 4. Para crescer um jardim química simulando um respiradouro chaminé hidrotermal natural, uma solução reservatório deve representar uma composição oceano simulado e uma solução para injecção deve representar o fluido hidrotermal que alimenta no oceano. A versatilidade deste tipo of experimento para diferentes sistemas de reação permite a simulação de quase qualquer química proposto fluido oceano / hidrotermal, incluindo ambientes da Terra primitiva ou em outros mundos. No início de terra, os oceanos teria sido anóxica, ácida (pH 5-6), e teria contido dissolvido CO2 atmosférico e Fe 2+, bem como Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- e NO 2. Reações químicas entre esta água do mar e da crosta ultramafic oceano teria produzido um fluido hidrotermal alcalina contendo hidrogênio e metano, e em alguns casos, sulfeto (HS -) 4-8. As chaminés formadas em ambientes de ventilação alcalina Terra primitiva poderia, assim, ter contido oxihidróxidos férricos / ferrosos e sulfetos de ferro / níquel, e tem sido proposto que estes minerais pode ter servido particulares funções catalíticas e proto-enzimática para aproveitamento redox / gradientes de pH geoquímicas de conduzir o aparecimento de Metabolism 5. Da mesma forma, em outros mundos, como a que pode hospedar (ou pode ter hospedado) de água / interfaces de rock - como início de Marte, lua de Júpiter Europa, ou lua de Saturno Enceladus - é possível que a química da água / rock poderia gerar ambientes de ventilação alcalinas capaz de condução química prebiótica ou mesmo fornecendo nichos habitáveis ​​para a vida existente 5,9-11. O experimento clássico jardim química envolve um cristal semente de um sal de metal, por exemplo, tetra-hidrato de cloreto ferroso FeCl2 • 4H 2 O, submersas numa solução contendo aniões reactivos, por exemplo, silicato de sódio ou de &quot;vidro de água&quot;. O sal se dissolve de metal, criando uma solução ácida contendo Fe 2+ que faz interface com a solução mais alcalina (contendo aniões silicato e OH -) e uma membrana precipitado inorgânico é formado. As ondas de membrana sob pressão osmótica, explosões, em seguida, re-precipita umat da nova interface fluido. Este processo repete-se até que os cristais são dissolvidos, resultando numa orientada verticalmente, a estrutura auto-organizada precipitado com morfologia complexa em ambas as escalas macro e micro. Este processo de precipitação resulta na separação de soluções de continuidade contrastantes quimicamente através da membrana jardim química inorgânica, e a diferença de espécies carregadas através da membrana produz um potencial de membrana 12-14. Estruturas do jardim Chemical são complexos, exibindo gradientes de composição do interior para o exterior 13,15-19, e as paredes da estrutura manter a separação entre as soluções contrastantes por longos períodos, permanecendo um pouco permeável aos íons. Além de ser uma experiência ideal para fins educacionais (como eles são simples de fazer para demonstrações de sala de aula, e pode educar os alunos sobre reações químicas e auto-organização), jardins químicos têm significado científico como representações de auto-assembly em dinâmicos, far-de-equilíbrio sistemas, envolvendo métodos que podem levar à produção de materiais interessantes e úteis 20,21. Jardins químicas em laboratório também pode ser cultivada por métodos de injecção, no qual a solução contendo um ião de precipitação é injectada lentamente para a segunda solução contendo o ião de co-precipitante (ou iões). Isto resulta na formação de estruturas do jardim químicas semelhantes às experiências de crescimento de cristal, a não ser que as propriedades do sistema e o precipitado pode ser melhor controlada. O processo de injecção tem várias vantagens significativas. Ele permite um para formar um jardim química usando qualquer combinação de precipitantes ou incorporados espécies, isto é, vários iões precipitantes podem ser incorporados em uma solução, e / ou outros componentes não-precipitante pode ser incluído em qualquer solução para adsorver / reagem com o precipitado . O potencial de membrana gerado em um produto químicosistema de jardim pode ser medido numa experiência de injecção se um eléctrodo é incorporada no interior da estrutura, permitindo assim estudo electroquímica do sistema. Experiências de injecção oferecem a capacidade para alimentar a solução de injecção para o interior do jardim química para intervalos de tempo controlada pela variação da velocidade de injecção ou volume total injectado; Por conseguinte, é possível alimentar as soluções através de diferentes sequencialmente e usar a estrutura precipitada como uma armadilha ou reactor. Combinadas, estas técnicas permitem simulações laboratoriais dos processos complexos que poderiam ter ocorrido em um sistema de jardim química natural em um respiradouro submarino hidrotermal, incluindo uma chaminé formado a partir de muitas reacções de precipitação simultâneas entre oceano e ventilação de líquidos (por exemplo, produtores de sulfetos metálicos, hidróxidos , e / ou carbonatos e silicatos) 5,22. Estas técnicas podem também ser aplicados a qualquer sistema de reacção jardim química para permitir a formação de novos tiposde materiais, como por exemplo, tubos ou tubos em camadas com espécies reactivas adsorvidas 20,23. Nós detalhes aqui um experimento exemplo que inclui o crescimento simultâneo de dois jardins químicos, Fe 2+ molecular contendo estruturas em um ambiente anóxico. Nesta experiência foram incorporadas pequenas quantidades de polifosfatos e / ou aminoácidos na solução de injecção inicial para observar o seu efeito sobre a estrutura. Após a formação inicial do jardim químico que depois passou a solução de injecção para introduzir sulfeto como um ânion de precipitação secundária. As medições de potenciais de membrana foram feitas automaticamente durante todo o experimento. Este protocolo descreve como executar dois experimentos de uma só vez utilizando uma bomba de seringa dupla; Os dados mostrados necessários vários ensaios deste procedimento. As taxas relativamente elevadas de fluxo, baixo pH das concentrações dos reservatórios e dos reagentes utilizados em nossos experimentos são projetados para formar grande chaminé precipita em tempo scales adequados para experimentos de laboratório de um dia. No entanto, as taxas de fluxo do fluido em fontes hidrotermais naturais pode ser muito mais difusa e as concentrações de reagentes de precipitação (por exemplo, Fe e S num sistema cedo terra) poderia ser de uma ordem de magnitude mais baixa 4; assim, precipitados estruturados formaria em escalas de tempo mais longos e a ventilação poderia ser ativo para dezenas de milhares de anos 24,25.

<table><tbody><tr><td>Bomba de Seringa</td><td>Fisher</td><td>14-831-3</td><td>Canal duplo ou múltiplo, dependendo do número desejado de experimentos simultâneos</td></tr><tr><td>Cloreto ferroso tetrahidratado</td><td>Fisher</td><td>I90500</td><td>Cloreto Ferroso Tetrahidratado (Cristalino/Certificado)</td></tr><tr><td>Cloreto férrico hexahidratado</td><td>Fisher</td><td>I88-100</td><td>Ferric&nbsp; Cloreto&nbsp; Hexahidrato&nbsp; (Caroços / ACS certificado)</td></tr><tr><td>Hidróxido de sódio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5881</td><td>grau de reagente, &ge; 98%, pellets (anidro)</td></tr><tr><td>Sulfeto de sódio nonahidratado</td><td>Fisher</td><td>S425212</td><td>Sulfeto de sódio nonahidratado (ACS cristalino/certificado). Armazenar em -20&nbsp; &#176;C. Abra apenas em um porta-luvas ou exaustor. Libera gás tóxico H2S; Todas as soluções contendo sulfeto devem ser mantidas em um porta-luvas ou exaustor.</td></tr><tr><td>Pirofosfato de potássio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td><a href="http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en&amp; região = US ">322431< / a ></td> <td>97%</td></tr> <tr><td>L-Alanina</td><td>Sigma-Aldrich</td><td><a href = "http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en&amp; region=US">A7627</a></td><td></td></tr><tr><td>Seringas (10&nbsp; cc)</td> <td>Fisher</td><td>14-823-16E</td><td>BD&trade; Seringa com Pontas Luer-Lok (Sem Agulha)</td></tr><tr><td>Agulhas de seringa (16&nbsp; calibre)</td><td>Fisher</td><td>14-826-18B</td><td>BD&trade; Uso Geral e PrecisãoAgulhas Hipodérmicas Glide, 16&nbsp; G x 1,5 pol. (38&nbsp; mm)</td></tr> <tr><td>Tubulação</td><td>Cole Parmer</td><td>EW-06407-71</td><td>Tubulação de Laboratório Tygon, Não-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD</td></tr><tr><td>Selos de alumínio</td><td>Fisher</td><td>0337523C</td><td>Thermo Scientific&trade; Comércio nacional; Headspace 20&nbsp; mm Selos de Crimpagem</td></tr><tr><td>Cinza para Rolhas de Butil</td><td>Fisher</td><td>0337522AA</td><td>Thermo Scientific&trade; Comércio nacional; 20&nbsp; mm Septa para Frascos de Headspace Frascos</td></tr> de <tr><td>soro</td><td>Frascos Sigma-Aldrich</td><td>33110-U</td><td>, tampa de crimpagem, frasco de soro, tamanho 100 ml, vidro transparente, O.D. &times; H 51,7 mm &vezes; 94,5 mm. Para esses experimentos, o fundo do frasco de soro deve ser cortado.</td></tr><tr><td>Ponteiras de pipeta</td><td>VWR</td><td>53511-682</td><td>Ponteiras de pipeta 0,5-10 &#956; l</td></tr><tr><td>Fio</td><td>McMaster-Carr</td><td>8073K661</td><td>Fio Sólido de Condutor Único, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC</td></tr></tbody></table>

jardins químicos como fluxo através reatores simulando naturais sistemas hidrotérmicos

Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems

Aqui relatamos simulações experimentais de crescimento de chaminés hidrotermais usando métodos de jardim químico de injeção. A versatilidade desse tipo de experimento permite o teste de várias químicas propostas de fluidos oceânicos / hidrotermais que poderiam ter impulsionado reações em direção à origem da vida em ambientes na Terra primitiva, no início de Marte ou mesmo em outros mundos, como as luas geladas dos planetas externos. Mostramos experimentos que incluem o crescimento de estruturas de jardins químicos sob condições anóxicas simulando a Terra primitiva, a inclusão de componentes vestigiais de fosfatos / orgânicos na solução de injeção para incorporá-los à estrutura, uma troca da solução de injeção para introduzir um ânion precipitante secundário e a medição de potenciais de membrana gerados por jardins químicos. Usando este método, foram formadas estruturas de jardim químico automontáveis que imitam as chaminés naturais precipitadas em fontes hidrotermais submarinas, e esses precipitados podem ser usados com sucesso como reatores de fluxo através da alimentação de várias injeções "hidrotermais" sucessivas.

Uma vez que a solução de injecção começou a ser alimentada para dentro da solução de reservatório, um jardim química precipitado começou a formar-se na interface fluido e esta estrutura continuaram a crescer ao longo do curso da injecção (Figuras 4-7). Nas experiências relatadas aqui, a primeira injecção foi de hidróxido de sódio (que pode ser modificada para incluir L-alanina e / ou pirofosfato), e a solução reservatório era uma mistura 1: 3 de Fe3 + / Fe2 +, dando origem a um mis...

Descrevemos a formação de jardins químicos por meio de experimentos de injeção que permitem simulações de laboratório de sistemas de jardins químicos naturais que se formam em fontes hidrotermais submarinas.

Jardins químicos como Fluxo através Reatores simulando Naturais sistemas hidrotérmicos

Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment ...

O objetivo geral do experimento a seguir é simular chaminés naturais precipitadas em fontes hidrotermais submarinas da Terra primitiva, utilizando experimentos de jardim químico para gerar estruturas autoagregadas em pequena escala. Isso é alcançado primeiramente pela preparação de duas soluções. Uma solução simula a composição da água do mar da Terra primitiva, e outra simula um fluido hidrotermal alcalino produzido por reações entre água e rochas.Em seguida, monta-se um aparato para que o fluido semelhante ao hidrotermal possa ser injetado em um reservatório do oceano simulado sob uma atmosfera anóxica. Como terceira etapa, eletrodos são posicionados para medir a tensão entre as soluções hidrotermais e oceânicas durante a injeção. Por fim, a solução semelhante à hidrotermal é lentamente injetada na base de um frasco contendo a solução do oceano simulado, imitando o vazamento natural do fluido do respiradouro a partir da crosta oceânica para a água do mar circundante.Os resultados mostram que um precipitado mineral se forma na interface entre as soluções oceânicas e hidrotermais, desenvolvendo-se em uma estrutura de jardim químico autoagregável que se assemelha a uma chaminé hidrotermal submarina. As chaminés hidrotermais são semelhantes a jardins químicos naturais. Acreditamos que elas tenham surgido na Terra há cerca de 4,4 bilhões de anos e sejam compostas principalmente por sulfetos de ferro e hidróxidos de ferro, com uma pequena quantidade de sílica.Eles se comportam como uma pele, sendo gerados onde soluções alcalinas emergem no oceano, que é parcialmente ácido. E na interface entre os dois, eles precipitam esses minerais, como mencionado, apresentando aparência semelhante a uma pele. Na verdade, poder-se-ia compará-los à vida como a conhecemos hoje.E é que a vida tende a ter um interior alcalino, como nós, por exemplo. E tende a preferir exteriores ácidos. Quero dizer, posso dizer talvez de forma leviana que gostamos de um shampoo com pH 5,5.Nós gostamos de refrigerantes ácidos, por exemplo. Mas também gostamos de bebidas alcalinas para manter nossa saúde, pois, afinal, o interior do nosso organismo é saudável, assim como jardins químicos naturais. E o que observamos no laboratório hoje é o fato de que o interior desses jardins químicos é alcalino.O exterior é ácido. Está parcialmente oxidado, e temos o que acontece: esses jardins químicos impõem um gradiente químico entre os dois, gradientes químicos de pH e redox, e somam cerca de meio volt, o que equivale à quantidade de energia eletroquímica necessária para impulsionar a vida. E acreditamos que isso foi ideal para impulsionar o surgimento da vida em um desses jardins químicos no fundo do oceano há 4 bilhões de anos.Este experimento permite simular diferentes condições planetárias, como oceanos, fluidos hidrotermais e atmosferas, mas também permite simular os efeitos da alteração de parâmetros experimentais específicos e qual será o impacto disso no sistema. Inicialmente, estávamos estudando jardins químicos que cresciam diretamente a partir de cristais dentro de tubos de ensaio, mas não conseguíamos medir o potencial da membrana porque não podíamos inserir um fio diretamente dentro da própria membrana. Para tanto, desenvolvemos um novo método.É um método de injeção no qual injetamos um simulante hidrotermal no fluido oceânico em um reservatório. Isso nos permitiu usar um datalogger automatizado para medir o potencial da membrana durante o crescimento da membrana. Aqueles que são novos neste método podem ter dificuldades para cultivar jardins químicos bem estruturados e posicionar o vírus nos pontos adequados necessários para a medição de tensão.No entanto, por meio da solução de problemas, eles podem resolver todos esses problemas. Comece usando um cortador de vidro para cortar o fundo de um frasco de soro transparente com tampa de prensagem de 100 mililitros, para utilizá-lo como frasco de injeção. Também colete uma rolha de septo de 20 milímetros, um selo de alumínio de prensagem de 20 milímetros e uma ponteira de pipeta plástica de 0,5 a 10 microlitros.Usando uma agulha de seringa de 16 gauge, fure cuidadosamente um orifício no centro da tampa de borracha, depois remova e descarte a agulha no recipiente apropriado para resíduos perfurocortantes. Em seguida, insira a ponteira de pipeta no orifício da agulha e empurre a ponteira através da tampa de borracha até que ela saia do outro lado. Fixe a tampa de borracha com a ponteira de pipeta firmemente no recipiente de injeção.Para fazer um selo hermético, empurre a ponta da pipeta através do septo de modo que ela protruda para o lado de fora. Em seguida, fixe um tubo transparente, flexível e resistente a produtos químicos com diâmetro interno de um dezesseis avos de polegada na ponta da pipeta. Deslize o tubo sobre a ponta da pipeta. Para criar um selo hermético, certifique-se de que o tubo seja longo o suficiente para alcançar desde o frasco de injeção até a bomba de seringa.Em seguida, prenda os frascos de injeção em um suporte dentro de uma capela de exaustão, de modo que a injeção entre pela parte inferior do frasco. Corte dois pedaços de fios isolados com comprimento suficiente para alcançar o interior dos vasos de reação até o registrador de dados. Deixe um pouco de folga nos fios para facilitar o posicionamento.Em seguida, retire cerca de três milímetros de isolamento da extremidade de cada fio que será posicionada dentro do vial de reação nas outras extremidades. Essas serão conectadas às pontas do multímetro. Retire cerca de um centímetro do revestimento do fio e insira um dos fios — aquele que ficará dentro do jardim químico — próximo à abertura da ponteira da pipeta para garantir o contato com a solução de injeção, mas não tão profundamente a ponto de obstruir o fluxo de injeção.Em seguida, fixe ambas as extremidades dos fios no lugar usando fita adesiva. Depois, posicione o fio externo de modo que entre em contato com o reservatório da solução, mas não com o precipitado do jardim químico. A seguir, conecte as extremidades livres dos fios ao registrador de dados para manter o espaço livre acima do reservatório da solução.E configure linhas de gás nitrogênio. Divida a alimentação de gás de um tanque fonte de nitrogênio em vários tubos, de modo que haja uma alimentação para cada frasco de injeção. Prepare 200 mililitros da solução reservatório, também conhecida como simulacro do oceano, para cada frasco de reação, primeiro borbulhando água desionizada com gás nitrogênio por cerca de 15 minutos a cada 100 mililitros.Isso garante que o experimento permanecerá anóxico durante toda a injeção. Em seguida, pese e adicione 25 milimolares de cloreto de ferro(II) tetra-hidratado e 75 milimolares de cloreto de ferro(III) hexa-hidratado à água.Agite suavemente a mistura para dissolver os íons sem introduzir oxigênio na mistura. Após a dissolução dos íons, retome imediatamente a passagem suave de bolhas de gás nitrogênio pela solução. Enquanto as injeções são preparadas, escolha duas quaisquer das soluções de injeção primárias da tabela mostrada aqui e prepare 10 mililitros de cada solução.Em seguida, encha uma seringa de 10 mililitros até a marca de sete mililitros com cada uma das soluções, tampe-as e reserve. Depois, prepare 20 mililitros de sulfeto de sódio 50 milimolar na câmara de exaustão como injeção secundária. Encha duas seringas de 10 mililitros até a marca de sete mililitros com a solução, substitua as tampas das agulhas e reserve.Fixe as seringas de injeção primária em uma bomba de seringa programável localizada dentro da câmara de fluxo. Ajuste a taxa de injeção para um mililitro por minuto e ligue a bomba até que ambas as seringas comecem a gotejar no béquer de resíduos. Em seguida, pare a injeção.Em seguida, insira as seringas contendo água desionizada nos dois tubos plásticos de injeção e injete de modo que a água preencha os tubos transparentes até a abertura onde entram no reservatório principal. Depois, coloque as seringas no suporte acima dos frascos de injeção. Em seguida, despeje cuidadosamente 100 mililitros da solução do reservatório contendo ferro em cada frasco.Crie cuidadosamente um selo hermético sobre os frascos usando perfil e insira uma alimentação de nitrogênio em cada frasco. Ajuste o fluxo das linhas de gás nitrogênio conforme desejado para manter o experimento anóxico durante todo o período das injeções. Em seguida, posicione as seringas cheias de água, uma de cada vez, próximas às seringas de injeção primária.Retire cuidadosamente o tubo plástico de injeção e transfira-o imediatamente diretamente para uma das agulhas da seringa de injeção primária, tomando cuidado para não perfurar a parede do tubo. Em seguida, configure a bomba de seringa para operar a dois mililitros por hora durante três horas e inicie a injeção ao mesmo tempo.Inicie a gravação do potencial da membrana. Pressione parar na bomba de seringa após três horas. Uma vez que as estruturas do jardim químico tenham se formado, remova cuidadosamente as seringas de injeção primárias da bomba de seringa, mas mantenha-as conectadas à tubulação para que as estruturas não sejam perturbadas.Coloque-os no suporte acima do nível do fluido nos frascos para que o fluido não reflua para dentro da seringa. Em seguida, fixe as seringas de injeção secundária, que neste caso contêm sulfeto de sódio, na bomba de infusão e purgue a agulha até que ambas comecem a gotejar; descarte a solução de sulfeto em um recipiente especial para resíduos perigosos. Depois, remova as seringas uma por vez da bomba de infusão e transfira o tubo da seringa de injeção primária para a seringa contendo sulfeto de sódio.Reconfigure a bomba de seringa para injetar a solução a uma taxa de dois mililitros por hora e pressione iniciar para injetar a solução de sulfeto de sódio nessa velocidade durante três horas. Assim que a solução de injeção primária é introduzida na solução do reservatório, um precipitado de jardim químico começa a se formar na interface dos fluidos, e essa estrutura continua a crescer ao longo da injeção. Em microscopia eletrônica de varredura ambiental, os precipitados primários formados na presença de alanina pareciam mais arredondados e amorfos, enquanto os precipitados de oxi-hidróxido de ferro puro, bem como aqueles contendo pirofosfato, apresentavam-se mais cristalinos após a injeção primária. O potencial tendeu a atingir um pico imediatamente entre 0,45 e 0,55 volts, e depois diminuiu por cerca de uma hora antes de se estabilizar em torno de 0,1 a 0,2 volts pelo restante da injeção primária.Quando as seringas primárias foram trocadas pelas seringas secundárias contendo sulfeto de sódio, o jardim químico continuou a crescer, exceto que os novos crescimentos visíveis eram agora sulfeto de ferro preto. Em vez de contribuir para as paredes existentes, as partes de sulfeto preto do jardim químico pareciam ramificar-se e crescer separadamente. Assim que a solução injetada de sulfeto atingiu o jardim químico, o potencial da membrana saltou imediatamente para cerca de 0,9 volts.Existem muitas combinações possíveis de soluções que você pode usar para cultivar seus jardins químicos. Também é possível alterar a taxa de injeção de uma taxa mais rápida para uma mais lenta e mudar a injeção primária para uma secundária a qualquer momento durante o experimento, desde que a estrutura do seu jardim químico esteja completamente formada. Soluções de sulfeto de sódio liberam gás sulfeto de hidrogênio, que é extremamente perigoso.Recipientes abertos de sulfeto de sódio e soluções contendo sulfeto devem ser utilizados dentro de capela de exaustão e manipulados de acordo com as diretrizes da ficha de dados de segurança do material; tanto soluções usadas quanto não usadas devem ser descartadas como resíduo perigoso. As chaminés hidrotermais que acabamos de ver sendo cultivadas em laboratório são feitas de minerais porosos, basicamente sulfetos de ferro e hidróxidos de ferro. E acreditamos que atuarão como catalisadores na origem da vida, sendo estruturalmente muito semelhantes aos catalisadores e enzimas que ainda possuímos até hoje em nossa própria pele.Este experimento pode ser usado para simular diferentes ambientes geológicos, mas também é aplicável na ciência dos materiais, pois existe grande interesse em aprender como controlar o crescimento dessas estruturas autoagregadas manipulando os parâmetros do experimento, e também, possivelmente, para criar estruturas e materiais que possam atuar como catalisadores para diferentes reações.

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Research

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Química

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Acoplamento da captura de carbono de uma usina com lagoas abertas semi-automatizadas para cultivo de microalgas

O objetivo deste protocolo é formar chaminés hidrotérmicas simuladas através de experimentos de injeção química de jardim e introduzir um gradiente térmico através da membrana precipitada inorgânica, usando um condensador imprimível 3D que pode ser reproduzido para fins educacionais.

Simulação das primeiras chaminés hidrotérmicas da Terra em um ambiente de gradiente térmico

Um protocolo detalhado de fluxo contínuo escalável é apresentado para sintetizar um fluoreto de arila a partir de uma amina de arila através da reação de Balz-Schiemann.

Um protocolo de reação Balz-Schiemann escalável em um reator de fluxo contínuo

Este protocolo detalha a montagem de matrizes de mini-biorreatores a serem utilizados para cultura de fluxo contínuo de comunidades fecais complexas sob condições anaeróbicas. Também discutimos os métodos de montagem, inoculação e amostragem dos reatores para análise posterior.

Montagem de biorreatores para cultura contínua de comunidades fecais complexas

Os sistemas de tratamento de zonas úmidas construídos têm sido usados há décadas para tratar águas residuais, mas sua aplicação para tratar águas afetadas pelo processo de areias betuminosas é relativamente nova. Para explorar esse potencial, um projeto de mesocosmo de fluxo superficial e métodos experimentais são delineados. Essa abordagem visa melhorar nossa compreensão dos principais parâmetros de design e melhorar a eficácia do tratamento.

Projeto de pântano construído em escala mesocosmática para tratamento de águas residuais

Explore a formação de jardins químicos em reatores de fluxo simulando sistemas hidrotermais naturais. Este método permite estudar processos geoquímicos e as origens da vida na Terra.

Jardins químicos como Fluxo através Reatores simulando Naturais sistemas hidrotérmicos

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