Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

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

Published: November 18, 2015 doi: 10.3791/53015
Automatic Translation
1,2,3, 1,2, 1,2, 1,3,4, 1,2, 1, 1,2
1NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 2NASA Astrobiology Institute, Icy Worlds, 3Blue Marble Space Institute of Science, 4Citrus College

Introduction

"الحدائق الكيماوية" هي رواسب الذاتي تجميع غير العضوية التي طورت حيث اثنين من سوائل كيمياء المتناقضة تتفاعل 1،2. وكانت هذه الهياكل غير العضوية الذاتي تجميع موضوع الاهتمام العلمي لأكثر من قرن ويرجع ذلك جزئيا إلى مظهرها بيوميمتيك، وقد سعت العديد من الدراسات التجريبية والنظرية لفهم مختلف الجوانب المعقدة وظائف الممكنة لنظم حديقة الكيميائية 3. وتشمل الأمثلة الطبيعية للحدائق الكيميائية المعدنية "مدخنة" الرواسب التي تنمو حول ينابيع المياه الحارة والتسربات، وقيل أن هذه يمكن أن توفر بيئات معقولة للحياة في الظهور 4. لتنمو في حديقة الكيميائية محاكاة المائية الطبيعية تنفيس مدخنة، يجب حل خزان يمثل تكوين المحيط محاكاة وحل الحقن يجب أن تمثل السوائل المائية التي تغذي المحيط. براعة هذا النوع سو التجربة لأنظمة رد فعل مختلفة تسمح لمحاكاة أي ما يقرب من المحيط / المائية كيمياء السوائل المقترحة، بما في ذلك البيئات على الأرض في وقت مبكر أو في عوالم أخرى. على الأرض في وقت مبكر، فإن المحيطات كانت الأكسجين، الحمضية (درجة الحموضة 5-6)، وكان قد احتوى حلت CO 2 في الغلاف الجوي والحديد 2+، وكذلك الحديد III، ني 2+، المنغنيز 2+، NO 3- وNO 2-. أن التفاعلات الكيميائية بين هذا البحر وقشرة المحيط المافية وقد أنتجت السوائل المائية القلوية التي تحتوي على الهيدروجين والميثان، وفي بعض الحالات كبريتيد (HS -) 4-8. المداخن التي تشكلت في وقت مبكر الأرض البيئات القلوية تنفيس بالتالي يمكن أن يتضمن oxyhydroxides الحديد / الحديدية وكبريتيد الحديد / النيكل، وقد اقترح أن هذه المعادن قد يخدم وظائف معينة الحفازة وبروتو الأنزيمية نحو تسخير الجيوكيميائية الأكسدة / التدرجات درجة الحموضة لدفع ظهور metaboliخ 5. وبالمثل، في عوالم أخرى مثل تلك التي قد تستضيف (أو قد استضافت) الماء / واجهات الصخور - مثل أوائل المريخ والقمر يوروبا المشتري، أو قمر زحل إنسيلادوس - فمن الممكن أن كيمياء المياه / الصخور يمكن أن تولد بيئات تنفيس قلوية قادرة على القيادة الكيمياء تسبق التكوين الجنيني أو حتى توفير منافذ للسكن للحياة موجودة 5،9-11.

التجربة حديقة الكيميائية الكلاسيكية ينطوي على الكريستال بذرة ملح معدني، على سبيل المثال الحديدية كلوريد tetrahydrate FeCl 2 • 4H 2 O، مغمورة في محلول يحتوي على الأنيونات رد الفعل، مثل سيليكات الصوديوم أو "كوب ماء". يذوب الملح المعدني، وخلق حالة المحاليل الحمضية التي تحتوي على الحديد 2+ التي واجهات مع حل أكثر قلوية (التي تحتوي على أيونات السيليكات وOH -) ويتم تشكيل راسب غشاء غير العضوية. تتضخم الغشاء تحت الضغط الاسموزي، رشقات نارية، ثم إعادة يترسب واحدر واجهة السوائل جديدة. ويكرر هذا الإجراء حتى يتم حل البلورات، مما أدى إلى موجه عموديا، التنظيم الذاتي هيكل راسب مع مورفولوجيا معقدة على مستويات الاقتصاد الكلي والجزئي على حد سواء. هذه النتائج هطول العملية في الفصل المستمر للحلول متناقضة كيميائيا عبر غشاء غير العضوية حديقة الكيميائية، واختلاف الأنواع اتهم عبر الغشاء ينتج غشاء المحتمل 12-14. هياكل حديقة كيميائية معقدة، واظهار التدرجات التركيبية من الداخل إلى الخارج 13،15-19، وجدران الهيكل الحفاظ على الفصل بين الحلول المتناقضة لفترات طويلة في حين تبقى قابلة للاختراق إلى حد ما الأيونات. بالإضافة إلى كونها تجربة مثالية للأغراض التعليمية (كما هي بسيطة لجعل لمظاهرات الفصول الدراسية، ويمكن تثقيف الطلاب حول التفاعلات الكيميائية والتنظيم الذاتي)، حدائق الكيميائية لها أهمية علمية حيث تمثيل assemb الذاتيلاي في دينامية، أبعد ما يكون عن التوازن النظم، تشمل الأساليب التي يمكن أن تؤدي إلى إنتاج مواد مثيرة للاهتمام ومفيدة 20،21.

ويمكن أيضا أن تزرع حدائق الكيميائية في المختبر عن طريق وسائل حقن، الذي حل تحتوي على واحد أيون عجل يتم حقن ببطء إلى الحل الثاني الذي يحتوي على أيون-عجل المشترك (أو الأيونات). وهذا يؤدي إلى تشكيل الهياكل حديقة الكيميائية مماثلة لتلك التجارب نمو البلورات، إلا أن خصائص النظام ويعجل يمكن التحكم بشكل أفضل. طريقة حقن ديها العديد من المزايا الهامة. فإنه يسمح احد لتشكيل حديقة الكيميائية باستخدام أي مزيج من عجل أو أدرجت الأنواع، أي يمكن أن تدمج الأيونات عجل متعددة في حل واحد، و / أو يمكن تضمين المكونات الأخرى غير عجل في أي حل كثف / تتفاعل مع راسب . غشاء المحتملة ولدت في مادة كيميائيةويمكن قياس نظام حديقة في تجربة حقن إذا أدرج إلكترود إلى داخل الهيكل، وبالتالي تمكين دراسة الكهروكيميائية للنظام. تجارب الحقن توفر القدرة على إطعام الحل الحقن إلى داخل الحديقة الكيميائية لالأطر الزمنية التي تسيطر عليها متفاوتة معدل الحقن أو إجمالي حجم حقن. ولذا فمن الممكن أن يساهم في إيجاد حلول مختلفة بالتتابع واستخدام بنية عجلت كفخ أو المفاعل. الجمع بين هذه التقنيات تسمح لمحاكاة المختبر من العمليات المعقدة التي قد حدثت في نظام حديقة الكيميائية الطبيعية في تنفيس الغواصة المائية، بما في ذلك مدخنة تشكلت من العديد من ردود الفعل هطول الأمطار في وقت واحد بين المحيط وتنفيس السائل (على سبيل المثال، إنتاج كبريتيد المعادن، هيدروكسيدات ، و / أو الكربونات والسيليكات) 5،22. ويمكن أيضا أن هذه التقنيات يمكن تطبيقها على أي نظام رد فعل حديقة الكيميائي للسماح لتشكيل أنواع جديدةمن المواد، على سبيل المثال، وأنابيب الطبقات أو الأنابيب مع الأنواع المتفاعلة كثف 20،23.

نحن هنا بالتفصيل تجربة سبيل المثال يتضمن النمو المتزامن من الحدائق الكيميائية اثنين، الحديد 2+ التي تحتوي هياكل في بيئة الأكسجين. في هذه التجربة أدخلنا كميات ضئيلة من فوسفات و / أو الأحماض الأمينية في محلول الحقن الأولي لمراقبة تأثيرها على هيكل. بعد التشكيل الأولي للحديقة الكيميائية أننا ثم تحولت الحل الحقن لإدخال كبريتيد كما شاردة عجل الثانوي. تم إجراء قياسات للإمكانات غشاء تلقائيا في كافة مراحل التجربة. يصف هذا البروتوكول كيفية تشغيل تجربتين في وقت واحد باستخدام مضخة الحقن المزدوج. وأظهرت بيانات مطلوبة أشواط متعددة من هذا الإجراء. صممت معدلات تدفق عالية نسبيا، ودرجة الحموضة منخفضة من تركيزات الخزان والمتفاعلة المستخدمة في تجاربنا لتشكيل مدخنة كبيرة يترسب في الوقت المحدد الشوريالس مناسبة لإجراء التجارب المعملية ليوم واحد. ومع ذلك، يمكن معدلات تدفق السوائل في ينابيع المياه الحارة الطبيعية تكون أكثر انتشارا بكثير وتركيزات عجل الكواشف (على سبيل المثال، الحديد وS في نظام الأرض في وقت مبكر) يمكن أن يكون أمر من حجم أقل 4؛ وبالتالي، فإن رواسب منظم تشكل على امتداد فترات زمنية أطول وتنفيس يمكن أن تكون نشطة لعشرات الآلاف من السنين 24،25.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. اعتبارات السلامة

  1. استخدام معدات الوقاية الشخصية (معطف المختبر، نظارات واقية وقفازات النتريل، والأحذية المناسبة) لمنع ضد تسرب أو الإصابة الكيميائية. استخدام المحاقن والإبر، والحرص على عدم ثقب القفازات. رعاية أثناء الإعداد التجربة للتحقق من جهاز للكشف عن التسربات عن طريق إجراء الحقن الأولى مع ضعف المقطر H 2 O ([ده 2 O)، وتحقق الاستقرار في قارورة رد فعل على الموقف، قبل أن يضيف المواد الكيميائية.
  2. إجراء هذه التجربة مع أي حديقة صفة الكيميائية، ولكن واحدة من الكواشف التي نستخدمها لمحاكاة الفتحات في أعماق البحار هو مادة كيميائية خطرة، كبريتيد الصوديوم. وبالتالي قيام بهذه التجربة بأكملها داخل غطاء الدخان لمنع التعرض.
    1. فقط فتح زجاجة من كبريتيد الصوديوم في غطاء الدخان ووضع التوازن داخل غطاء الدخان وزنها كبريتيد. دائما الحلول التي تحتوي على كبريتيد داخل غطاء الدخان كما يطلقون السام H 2 S الغاز، وكذلك الحفاظ sulfidالسائل الإلكترونية، الأدوات الحادة، وحاويات النفايات الصلبة في غطاء الدخان. المتفاعلة آخر يتمثل في الحديد (II) الكلورين 2 • 4H 2 O، الذي يتأكسد عند التعرض للهواء، حتى تأخذ الرعاية للحفاظ على الحلول نقص الأكسجين وتنمو حدائق الكيميائية تحت فراغ الرأس عوز الأكسجين (على سبيل المثال، N 2 أو ع)، ودائما داخل غطاء الدخان أو علبة القفازات.

2. الإعداد للتجارب الحقن

  1. إنشاء زجاج "قارورة حقن" بقطع أسفل 1 سم من 100 مل الزجاج واضحة تجعيد أعلى زجاجة المصل (20 ملم تجعيد ختم نوع الإغلاق) مع قطع الزجاج بحيث عندما مقلوب، السفينة مفتوحة للهواء. لأن هذه هي قابلة لإعادة الاستخدام، وتنظيف قارورة في 1 M حمض الهيدروكلوريك حمام الحمضية O / N، ثم يشطف جيدا مع ده 2 O قبل تجربة جديدة.
  2. إعداد قارورة الحقن (الشكل 1).
    1. جمع 20 مم الحاجز، 20 مم الألومنيوم تجعيد الختم، و0.5-10 ميكرولتر ماصة بلاستيكية طرف. باستخدام NE 16 G حقنةedle، ثقب بعناية من خلال ثقب وسط الحاجز، ثم إزالة والتخلص من الإبرة في حاوية النفايات الحادة المناسبة.
    2. إدراج غيض ماصة في حفرة الإبرة، إلى جانب الحاجز المطاطي الذي سيواجه داخل الجزء العلوي تجعيد من القارورة. دفع غيض ماصة من خلال الحاجز بحيث الوخزات من الجانب الآخر.
    3. تجعيد ختم الحاجز مع ماصة على السفينة حقن لجعل خاتم للماء. عندما مختومة، ودفع غيض ماصة أكثر من خلال الحاجز بحيث يبرز خارج.
    4. يلصق 1/16 "القطر الداخلي واضح مرن أنابيب مقاومة للمواد الكيميائية للطرف ماصة (طول الأنبوب يجب أن تصل من قارورة الحقن لضخ حقنة)؛ الانزلاق للحصول على ختم ماء.
      ملاحظة: سوف يكون هذا الأنبوب الحقن، ويتغذى من الطرف الآخر عن طريق حقنة مع 16 G الإبرة.
    5. تحقق من وجود تسرب: إدراج حقنة 10 مل مليئة ده 2 O مع إبرة G 16 إلى الطرف الآخر من الأنبوب(بسلاسة حرك الأنبوب مباشرة على الإبرة ويجب الحرص على عدم ثقب جدار الأنبوب). حقن ببطء بحيث ده 2 O يتحرك صعودا أنابيب وإلى الجزء السفلي من وعاء التفاعل. تأكد من أن حقنة / أنبوب، أنبوب / معلومات سرية، وتجعيد الأختام هي ماء.
  3. المشبك قارورة الحقن على الوقوف في غطاء الدخان، بحيث حقن ستصب في من أسفل القارورة.
    ملاحظة: يمكن تعيين قوارير متعددة تصل في وقت واحد وتغذى في وقت واحد عن طريق الحقن منفصلة.
  4. إنشاء أقطاب لقياس غشاء المحتملة عبر جدار حدائق الكيميائية. دائما استخدام نفس الاتفاقية التي الرصاص هو "داخل" والذي هو "خارجي" للحدائق الكيميائية.
    1. قطع أطوال الأسلاك المعزولة (على سبيل المثال، النحاس) التي تصل من داخل أوعية التفاعل إلى حذو المتعدد أو بيانات مسجل. ترك قليلا من الركود في الأسلاك لتحديد المواقع.
    2. قطاع ~ 3 ملم منالأسلاك العارية في نهايات التي سوف يكون موجودا داخل القارورة رد فعل. في نهايات أخرى من شأنها أن تكون متصلا يؤدي المتعدد، وقطاع ~ 1 سم من السلك.
    3. إصلاح الأسلاك في مكانها لقياس غشاء المحتملة عبر الحديقة الكيميائية. لالسلك الذي سيذهب داخل الحديقة الكيميائية: أدخله في افتتاح غيض ماصة من السوائل التي سوف تغذي السفينة.
    4. دفع الأسلاك في طفيفة لضمان اتصال مع الحل الحقن، ولكن ليست بعيدة بحيث تسد تدفق الحقن. للخارج السلك: مكان بحيث أنها سوف تكون على اتصال مع الخزان حل ولكن ليس مع حديقة راسب كيميائي.
    5. الشريط أو تأمين الأسلاك بحيث لا يستطيعون التحرك داخل قارورة الحقن خلال التجربة (الشكل 2).
    6. إرفاق غايات أخرى من الأسلاك إلى متعدد، وتأمين الأسلاك بحيث تلك الغايات أيضا لا تتحرك في كافة مراحل التجربة.
  5. انشاء N 2
  6. تقسيم تغذية الغاز من مصدر N 2 إلى عدة أنابيب، حتى لا يكون هناك واحد N 2 تغذية لكل قارورة الحقن.
  7. وضع كل N 2 أنبوب بحيث يغذي فراغ الرأس واحدة من قارورة الحقن.

3. إعداد حلول لالكيميائية حديقة النمو

  1. إعداد الحل الخزان، 100 مل لكل تجربة. ملاحظة: في هذا المثال، استخدم 75 ملم الحديد 2+ و 25 ملي الحديد 3+ كما الكاتيونات عجل (الجدول 1).
    1. إيجاد حلول الأكسجين التي ظهرت على السطح أولا ده 2 O مع N 2 الغاز لل~ 15 دقيقة لكل 100 مل.
    2. تزن بها وإضافة FeCl 2 • 4H 2 O وFeCl 3 • 6H 2 O، واثارة بلطف إلى حل (وليس بقوة حتى لا يعرض الأكسجين).
    3. بعد أن يتم حله الكواشف، resum فوراه ضوء محتدما من الحديد 2+ / الحديد 3+ حل مع N 2 الغاز في حين يتم إعداد الحقن.
  2. اختيار أي اثنين من الحلول حقن الأولية هو مبين في الجدول رقم 1، وإعداد 10 مل لكل منهما. حقنة ملء 10 مل إلى علامة 7 مل مع كل من حلول (حقنة واحدة لكل الحل). استبدال قبعات الإبرة ويوضع جانبا.
  3. إعداد 20 مل من محلول الحقن الثانوي (كبريتيد الصوديوم - تنبيه). هو مبين في الجدول رقم 1 ملء كل منهما 10 مل المحاقن إلى علامة 7 مل مع هذا الحل، استبدال قبعات الإبرة ويوضع جانبا. دائما الحلول التي تحتوي على كبريتيد والحقن في غطاء الدخان.
  4. إعادة ملء ده 2 O الحقن من الخطوة 2.2.5. هذه سيتم استخدامها لمسح أنبوب حقن.

4. بدء حقن الابتدائي

  1. استخدام المطلوب مسجل بيانات لقياس المحتملة الغشاء. قياس إمكانات كل تجربة على لseparatقناة ه، وحددت معدل المسح إلى إعطاء المبلغ المطلوب من نقاط البيانات (على سبيل المثال، لحقن 2-ساعة، تسجيل إمكانات كل 30 ثانية سيكون كافيا).
  2. تأمين الحقن حقن الأولية على ضخ حقنة للبرمجة في غطاء الدخان.
  3. استخدام كوب النفايات للقبض على القطرات وتعيين ضخ حقنة لحقن بمعدل سريع حتى الحقن على حد سواء تبدأ بالتنقيط في الكأس. ثم وقف الحقن (من أجل ضمان أن الحقن اثنين تبدأ عن طريق الحقن في تمام نفس المستوى).
  4. إعادة برنامج ضخ حقنة لحقن في 2 مل لكل ساعة (معايرة لنوع من المحاقن المستخدمة)، ولكن لا تصل البداية.
  5. إدراج O الحقن ده 2 إلى اثنين من أنابيب حقن البلاستيك، وحقن حتى أن الماء يملأ أنابيب يصل اضح إلى الفتحة حيث يدخل الخزان الرئيسي. مكان الحقن على الوقوف، فوق قارورة الحقن.
  6. صب 100 مل من الحديد 2+ / الحديد 3+ حل الخزان إلى عصامقارورة CH.
  7. ضبط تدفق خطوط الغاز N 2 كما هو مطلوب للحفاظ على نقص الأكسجين التجربة لمدة الحقن.
  8. تغطية بعناية قارورة الخزان مع ختم محكم (على سبيل المثال، به Parafilm؛ ولا حجبت الرؤية من خلال الزجاج) وإدراج تغذية N 2 في كل قارورة (الشكل 3).
  9. جلب ده 2 O الحقن (لا يزال إدخالها في أنابيب) إلى جوار الحقن حقن الأولية. الشريحة بعناية حقن الأنابيب البلاستيكية قبالة O حقنة إبرة ده 2، ونقل على الفور بشكل مباشر على واحد من الإبر حقن حقنة الأساسي. (احرص على عدم ثقب جدار الأنبوب.)
  10. بدء الحقن، وبدء تسجيل غشاء المحتملة.

5. بدء حقن الثانوي:

  1. ضرب المحطة على ضخ حقنة بعد 3 ساعات (بعد أن تم حقن 6 مل)، وقد شكلت هياكل حديقة مرة واحدة الكيميائية (فيقوإعادة 4)، وتوليد باستمرار إمكانات غشاء (الشكل 5).
  2. إزالة بعناية المحاقن الأولية من ضخ حقنة (ولكن تركها متصلة أنابيب وبالتالي فإن الهياكل ليست مضطربة)؛ مجموعة منهم على الوقوف فوق مستوى السائل في قارورة بحيث السائل لا يمكن أن تتدفق مرة أخرى إلى الحقنة.
  3. تأمين الحقن حقن كبريتيد الثانوية إلى ضخ حقنة، وكرر الخطوات 4.3 و 4.4.
  4. إزالة المحاقن ثانوية واحدة في وقت واحد من ضخ حقنة، و، في حين عقد الحقن فوق مستوى السائل في قارورة، كرر الخطوة 4.9، نقل الأنابيب من الحقن الابتدائية إلى الثانوية المحاقن (الشكل 6). توخي الحذر أن ضغط السائل من الخزان إلى الحقنة لا يسبب السوائل في التدفق مرة أخرى إلى الحقنة لأن هذا يمكن أن تنهار في حديقة الكيميائية.
  5. عندما اكتمال عملية النقل، وتأمين بعناية الحقن الثانوية إلى thالبريد حقنة مضخة.
  6. إعادة برنامج ضخ حقنة لحقن في 2 مل لكل ساعة، وضرب تبدأ لمواصلة حقن مع الحل حقن الجديد.
  7. التخلص الآمن من الحقن حقن الأولية.

6. إنهاء التجربة

  1. أولا إيقاف ضخ حقنة، ثم توقف تسجيل غشاء المحتملة وحفظ البيانات.
  2. إيقاف تدفق N 2 وإزالة الخطوط وParafilm من السفن الحقن.
  3. إذا رغبت في ذلك، أخذ عينات من الحل الخزان أو يعجل لمزيد من التحليل. لإزالة بعناية الحل الخزان وعدم إزعاج راسب، واستخدام ماصة 25 مل إلى ماصة بعناية قبالة حل الخزان في عدة قسامات، وتجاهل الحل في كوب من النفايات.
  4. Unclamp الأوعية حقنة واحدة في وقت وتصب الحل في دورق نقل النفايات في غطاء الدخان. استخدام ده 2 O لشطف من قطعة من راسب.
  5. إزالة المحاقن جيئة وذهابام ضخ حقنة، واستخراجها من الأنبوب، مما يتيح اضافية سائل الحقن هرب إلى الدورق نقل النفايات. إفراغ الحقن في الكأس النفايات، والتخلص من الحقن في حاوية الأدوات الحادة كبريتيد الاحتفاظ بها في غطاء الدخان.
  6. إزالة الأنبوب من القارورة التجربة والتخلص منها في كيس النفايات الصلبة. Uncrimp الختم والتخلص من الحاجز، وختم، وماصة.
  7. شطف خارج القنينة التجربة الزجاج ونقع عليه في 1 M حمض الهيدروكلوريك حمام حمض O / N. (تنبيه - الأواني الزجاجية التي كانت على اتصال مع كبريتيد الصوديوم ستفرج السام H 2 S الغاز عند وضعه في حامض إبقاء الحمامات حمض داخل غطاء الدخان.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وبعد البدء في حل حقن لتغذية الحل الخزان، بدأ حديقة راسب الكيميائي لتشكل في واجهة السوائل، واستمر هذا الهيكل في النمو على مدى الحقن (الأرقام 4-7). في التجارب ذكرت هنا، كان الحقنة الأولى هيدروكسيد الصوديوم (التي يمكن تعديلها لتشمل L-ألانين و / أو بيروفسفات)، وكان الحل الخزان 1: خليط 3 من الحديد 3+ / الحديد 2+، مما أسفر عن مختلطة -redox للدولة oxyhydroxide الحديد يعجل. عرضت الحدائق الكيميائية عادة التشكل اللون المزدوج - كانت بعض القطع من راسب كان اللون الأخضر الداكن (ربما يشير إلى oxyhydroxide مختلط) وغيرها من القطع البرتقال (وربما تشير أساسا الحديد 3+ -oxyhydroxide / أكسيد). وكان الحديد oxyhydroxide حدائق الكيميائية إلى حد ما هياكل قوية وكثيرا ما كانت قادرة على البقاء منتصبا عندما تم إزالة الحل الخزان من السفينة بعد الحقن (فايجوري 8). في الرواسب التي تحتوي على الحديد فقط oxyhydroxide، حدائق الكيميائية تشكل عادة عدة فروع؛ ولكن عندما أدرج مسعور ألانين حمض أميني في حل الحقن، وتميل الحدائق الكيميائية لتشكيل أقل فروع أو حتى عمود واحد من راسب. هذا تثبيط انفجار والمتفرعة يفترض يشير إلى أن إضافة ألانين تنتج أكثر دواما جدار حديقة الكيميائية 26. تحت البيئي المجهر الإلكتروني (ESEM)، يبدو أن الرواسب التي تشكلت في وجود ألانين أكثر تنوعا وغير متبلور، في حين نقية رواسب الحديد oxyhydroxide (وكذلك تلك التي تحتوي على بيروفسفات)، تنم عن البلورية (الشكل 9). عندما أدرج بيروفسفات في حل الحقن، حديقة الكيميائية الحديد oxyhydroxide تشعبت شكلت، والإضافي راسب غائم الأخضر (بيروفسفات الحديد المرجح) شكلت وتمتد من حواف هيكل (الشكل 10). توكان له عمود الأخضر راسب يست جزءا من حديقة الكيميائية، وعندما تم إزالة الحل الخزان، وأعمدة انهارت ولم تجميع جيدا للهيكل الرئيسي.

ولدت في غشاء المحتملة في التجارب حديقة الكيميائية في أقرب وقت أصبحت حديقة الكيميائية مرئية (كان هناك تأخر الوقت، كما سافر الحل الحقن عن طريق الأنابيب). في التجارب حيث كان الحل حقن هيدروكسيد الصوديوم، هيدروكسيد الصوديوم مع ألانين، أو هيدروكسيد الصوديوم مع بيروفسفات، تميل القدرة على الذروة على الفور حول 0،45-0،55 V ثم انخفضت لمدة ساعة تقريبا قبل أن يستقر حول 0،1-0،2 V لبقية حقن الأساسي . (في التجارب حيث كان حقن الأساسي هيدروكسيد الصوديوم + بيروفسفات + ألانين، والجهد لم يصل إلى ذروته في قيمة أعلى من ~ 0،45-0،55، بدلا من ذلك، فإنه لا يزال في جميع أنحاء ~ 0.2 لحقن الأساسي بأكمله.) وكانت هناك اختلافات في غشاء المحتملة في يكرر نفس التجربة (الشكل 11) <strong>، لكن كانت الأنماط الملاحظة أكثر أو أقل تتفق على مدى أربعة تكرارات لكل الكيمياء الحقن.

عندما تحولت الحقن الابتدائية إلى الثانوية الحقن التي تحتوي على كبريتيد الصوديوم، واصلت حديقة الكيميائية في النمو، إلا أن معدلات النمو كانت جديدة واضحة الآن كبريتيد الحديد الأسود. بدلا من المساهمة في الجدران القائمة، ظهرت أجزاء كبريتيد سوداء من حديقة الكيميائية لتتفرع وتنمو بشكل منفصل. حالما وصلت الحل حقن كبريتيد الحديقة الكيميائية، قفز غشاء المحتملة على الفور إلى ~ 0.9 V. وبلغت قيمة احتمال التوصل إليها خلال حقن الثانوي نفسه بالنسبة لجميع التجارب، بغض النظر عن حل حقن الأساسي (الشكل 10). وذلك لأن القدرة في التجارب حديقة الكيميائية ترجع في معظمها إلى الكيمياء بين اثنين من حلول التواصل، وبما أن الحلول حقن الثانوية لدينا كل 50 ملي نا 2 S • 9H > 2 O والحل الخزان لم يتغير، كانت الفولتية المتولدة مماثلة.

أجرينا عادة أربع تجارب حديقة الكيميائية في آن واحد، وذلك باستخدام أربع زجاجات الخزان التي تم تغذيتها من قبل أربعة محاقن منفصلة وكلها مدفوعة بنفس المعدل من قبل ضخ حقنة. باستخدام نفس الكيمياء في جميع التكرارات أربعة، ونحن في كثير من الأحيان لاحظت اختلافات كبيرة في هيكل حديقة الكيميائية (الحجم الكلي، وعدد من فروع)، وكذلك التغيرات في غشاء المحتملة ضمن مجموعة من 0،1-0،2 V. هذا النقص في استنساخ هو متوقع في أبعد ما يكون عن التوازن التجارب عندما يتوقف كثيرا على تعقيدات الظروف الأولية. ومن المرجح أن تشكيل العشوائي للهيكل في حدائق الكيميائية يؤدي في بعض الأحيان إلى ترسيب الأغشية مع نفاذية لأيونات مختلفة. في بعض الحالات، وحلول الحقن والخزان هي على الأرجح أفضل منفصلة، ​​وبالتالي إمكانية الغشاء قادر على أن يستمر لفترة أطول.

الطبقة = "jove_content"> سمحنا الحقن لمواصلة بمعدل 2-3 مل / ساعة، وانتهاء التجربة بعد 2 ساعة لحقن الابتدائي وساعة إضافية 3 لحقن الثانوي. خلال هذا الوقت، بقيت غشاء المحتملة في قيمة مميزة من أجل أيهما حقن محلول كانت تستخدم. إذا توقفت الحقن، ثم اضمحلت إمكانية العودة ببطء إلى صفر للحلول الداخلية والخارجية معايرتها. (في أنظمة الحديد هيدروكسيد، إذا تم إيقاف الحقن، والمداخن أن تذوب في بعض الأحيان على مدى عدة أيام، وذلك بسبب درجة الحموضة منخفضة جدا (~ 2) من الحل الخزان.)

الشكل 1
الشكل 1. إعداد أوعية التفاعل. وقدمت أوعية التفاعل للتجارب حديقة الحقن الكيميائية عن طريق قطع الجزء السفلي من زجاجة المصل 100 مل، وإدراج طرف ماصة من خلال الحاجز ث هيك ثم تجعيد مختومة إلى زجاجة، وربط أنبوب من خلالها لتغذية حل الحقن. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
الشكل 2. تنسيب الأسلاك في وعاء التفاعل حديقة الكيميائية. (A) المنظر من فوق، والتي تبين موضع "الداخلية" الكهربائي في فتحة الحقن. كان يلفها هذا السلك من حديقة الكيميائية عندما بدأت في النمو. وكان القطب "الخارجي" البقاء بعيدا عن نقطة حقن بحيث لم تطرق من قبل حديقة الكيميائية المتنامية. (B) تأمين الأسلاك مع الشريط بحيث أنها لا تتحرك في كافة مراحل التجربة.= "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. إنشاء فراغ الرأس N 2. بعد أن أضاف الحل الخزان، تم تشكيل ختم محكم فوق الجزء العلوي من السفينة مع parafilm (يغطي الأقطاب كذلك)، ثم تم إدراج تغذية ضوء N 2 للحفاظ على ظروف نقص الأكسجين في جميع أنحاء نمو حديقة الكيميائية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 4
الرقم 4. النمو الوقت الفاصل بين حديقة الكيميائية. وتضمنت هذه التجربة 75 ملي FECل 2 • 4H 2 O و 25 ملي FeCl 3 • 6H 2 O في حل الخزان. كان أول حقنة 0.1 M هيدروكسيد الصوديوم + 10 ملي K 2 P 4 O 7، وبعد 180 دقيقة وتم تشغيل الحقن إلى 50 ملي نا 2 S • 9H 2 O. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الرقم 5. إمكانات غشاء. ولدت غشاء المحتملة كما نمت حديقة الكيميائية في جميع أنحاء القطب الداخلية. بعد الحقن الأولي من هيدروكسيد التي شكلت أول هيكل راسب، وقد تحولت الحقنة مع حقنة من حل كبريتيد الصوديوم. في هذه التجربة هو الحل الخزان 75 ملي FeCl 2 • 4H 2 O + 25 ملي FeCl 2 O، كان حقن الأساسي 0.1 M هيدروكسيد الصوديوم، وكان حقن الثانوي 50 ملي نا 2 S • 9H 2 O. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الرقم 6. الحقنة. (A) الإدراج الصحيح للإبرة حقنة في أنابيب بلاستيكية مرنة. ويجب الحرص على عدم ثقب الأنبوب - يظهر مثال الإدراج غير صحيحة في (B) الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 7
2 • 4H 2 O + 25 ملي FeCl 3 • 6H 2 O، كما هو موضح بعد الحقن الأولي 0.1 M هيدروكسيد الصوديوم (بالإضافة إلى إضافات من ألانين و / أو K 2 P 4 O 7 المدرجة في الجدول 1) وبعد الحقن الثانوي من 50 ملي نا 2 S • 9H 2 O. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 8
الرقم 8. المتعجل الاستقرار. الحديد (II / III) حدائق الكيميائية -hydroxide في بعض الأحيان يمكن الحفاظ على الاستقرار الهيكلي بعد إزالة حل خزان بعناية. ويمكن بعد ذلك أخذ عينات من راسب لمزيد من التحليل إذا المطلوب. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 9
الرقم 9. المسح البيئي المجهر الإلكتروني التصوير. (A) الحديد (II / III) حدائق الكيميائية -hydroxide، (B) الحديد (II / III) حدائق الكيميائية -hydroxide تحتوي K 2 P 4 O 7، و (C) الحديد ( II / III) حدائق الكيميائية -hydroxide تحتوي على ألانين. جميع الصور هي من الحدائق الكيميائية بعد الحقن الابتدائي فقط. يترسب التي أدرجت ألانين يبدو تقريب والبلورية أقل من رواسب الحديد فقط (II / III) -hydroxide والحديد (II / III) -hydroxide تحتوي K 2 P 4 O 7..JPG "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 10
حدائق الرقم 10. الكيماوية التي تزرع في حل خزان من 75 ملي FeCl 2 • 4H 2 O + 25 ملي FeCl حل 3 • 6H 2 O. (A) حقن تحتوي على 0.1 M هيدروكسيد الصوديوم + 10 ملي K 2 P 4 O 7. الحل (B) حقن يتضمن 0.1 M هيدروكسيد الصوديوم + 10 ملي K 2 P 4 O 7 + 10 ملي ألانين. في حدائق الكيميائية حيث يتضمن الحل حقن K 2 P 4 O 7، أعمدة راسب الخضراء (السهام) شكلت بالقرب من العلاقات العامة الصلبةفروع ecipitate، ولكن هذه لم تكن أعمدة تجميعها بشكل كامل الهيكل الرئيسي وانهار عندما تم إزالة الحل الخزان. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 11
الرقم 11. غشاء المحتملة الناتجة عن الحدائق الكيميائية نمت في حلول خزان من 75 ملي FeCl 2 • 4H 2 O + 25 ملي FeCl 3 • 6H 2 O. يتم عرض أربعة تكرارات من كل تجربة. ولدت إمكانية بأسرع ما سافر الحل حقن في انبوب واتصلتحل خزان لإنتاج الهيكل يعجل يغلف القطب الداخلي. واصل هيكل أن ينمو بينما تسير عملية حقن الأساسي. عندما تبادلت حقنة لحل كبريتيد الصوديوم وبدأ الحقن الثانوي (الأسهم)، وزيادة القدرة على 0،9-1،0 V. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

خزان الحل (100 مل) حقن الابتدائي (6 مل) الأساسي حقن سعر 1max V (متوسط) حقن الثانوي (6 مل) الثانوية حقن سعر 2max V (متوسط)
75 ملي FeCl 2 • 4H 2 O + 25 ملي FeCl 3 • 6H 2 O 0.1 M هيدروكسيد الصوديوم 3 مل / ساعة 0.431 V، σ = 0.002 نا 2 S • 9H 2 O 2 مل / ساعة 0.881 V، σ = 0.047
0.1 M هيدروكسيد الصوديوم + 10 ملي K 4 P 2 O 7 3 مل / ساعة 0.473 V، σ = 0.016 2 مل / ساعة 0.914 V، σ = 0.040
0.1 M هيدروكسيد الصوديوم + ألانين 10 ملي 3 مل / ساعة 0.485 V، σ = 0.044 2 مل / ساعة 0.929 V، σ = 0.015
0.1 M هيدروكسيد الصوديوم + 10 ملي K 4 P 2 O 7 + 10 ملي ألانين 3 مل / ساعة 0.239 V، σ = 0.061 2 مل / ساعة 0.923 V، σ = 0.033

الجدول 1. الفولتية المتولدة عن الحدائق الكيماوية المتولدة عن طريق حقن ببطء لأول مرة الأولي، ثم الثانوية، والحل في الخزان. 1max V (متوسط) و2max V (متوسط) هي متوسطات أعلى الفولتية التي تنتج أثناء الانتخابات التمهيديةوحقن الثانوية، على التوالي؛ σ هو الانحراف المعياري.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تشكيل هيكل حديقة الكيميائية عبر طريقة حقن يمكن تحقيق ذلك عن طريق ربط أي اثنين من المحاليل التي تحتوي على أيونات التفاعلية التي تنتج راسب. هناك العديد من أنظمة التفاعل الممكنة التي من شأنها أن تنتج هياكل راسب وإيجاد الوصفة المناسبة للأيونات رد الفعل وتركيزات أن ينمو هيكلا المطلوب هو على سبيل التجربة والخطأ. يتم التحكم في معدل التدفق من الحل حقن عن طريق ضخ حقنة للبرمجة وهذا يمكن أيضا أن تختلف بين التجارب لمحاكاة معدلات مختلفة من تدفق السوائل في النظام الطبيعي. هيكل حدائق الكيميائية تعتمد على العديد من العوامل، بما في ذلك تشكيل ومعدل التدفق، وأنه من الممكن أن ينمو الهياكل في اقل من بضع ساعات، وعلى مدى فترات أطول من أيام إلى أسابيع. يمكن للمرء أيضا إضافة عناصر النزرة الأخرى ذات الاهتمام في حل الحقن أو الخزان، مثل الجزيئات العضوية أو غيرها من المكونات التي يعتقد أنها من الناحية الجيولوجية أو صلة بيولوجية <سوب> 27،28. اعتمادا على والكيمياء، ويمكن إدراج هذه العناصر إلى راسب و / أو تفاعلات.

هناك العديد من الأساليب التي استخدمت في الأعمال السابقة لزراعة حديقة رواسب الكيميائية، بما في ذلك النمو المباشر من حل بلورات أو "كريات" 18،29 والتجارب حقن مثل تلك التي ظهرت هنا 30،31. لتصميم تجربة حديقة الكيماوية حيث أنه من الممكن لقياس موثوق غشاء المحتملة، لا بد من إيجاد طريقة ليغلف تماما "الداخلية" الأسلاك داخل غشاء راسب في كافة مراحل التجربة برمتها. هذا أمر صعب (وإن لم يكن من المستحيل 14) لإنجاز التجارب في نمو البلورات. في التجارب السابقة حقن 13، لاحظنا بشكل عام أن السلك يجب أن توضع مباشرة في نقطة الحقن، وإلا فإن حديقة الكيميائية في كثير من الأحيان "يتجنب" السلك كما أنها تنمو، وبالتالي لeaving وأسلاك في حل خزان وليس غشاء المحتملة يمكن قياسها. حدائق الكيميائية نمت عن طريق الحقن تختلف في الاستقرار الهيكلي وفقا لنظام متفاعل الكيميائية (ق) المستخدمة - أنظمة مثل الحديد والسيليكات أو الحديد هيدروكسيد تعطي هياكل أكثر قوة أن يظل واقفا عند يصب السائل الخزان، في حين نظم الحديد كبريتيد نقية تميل إلى إعطاء هلامي أكثر من ذلك بكثير، راسب الدقيق الذي ينهار بسهولة إذا تشعر بالانزعاج الحل. وهناك انهيار حديقة الكيميائية أو أي كسر كبير من الغشاء يسبب آثارا فورية في غشاء المحتملة، وتوزيعات غير متساوية من الأنواع اتهم عبر الغشاء تنزف بها. وهكذا، في هذا النوع من التجارب، فمن المهم جدا أن الأسلاك يتم تأمينها بعناية قبل الحقن بحيث أنها لا تتحرك كما ينمو الحديقة الكيميائية، وأن الإعداد التجريبية / حقن مستقر ولا تزاحم أثناء النمو.

بسبببعد حقن السائل التي تصب في خزان المفيد، ويوصى مرنة شفافة أنابيب Tygon على احتمالات أخرى مثل الفولاذ المقاوم للصدأ. أنابيب واضح يسمح لرصد الجسيمات متعجلة تشكيل داخل الأنبوب، يسمح احد لطرد السدادات، ويسمح كشف / إزالة فقاعات الهواء. الجانب السلبي من هذه الأنابيب هو أنه يمكن ثقب بسهولة عن طريق إبرة حقنة (الشكل 6). نحن جربت تبديل الحقن عن طريق إدخال الإبرة الثانية مباشرة في أنابيب من الجانب قبل الحقنة الأولى، بدلا من الانتقال الواقع أنابيب من حقنة واحدة إلى أخرى، ولكن هذه التقنية صعبة جدا لإنجاز دون ثقب. فائدة أخرى من الأنابيب Tygon هي أنه في حالة ثقب عرضي في حين إدخال الإبرة، يمكن للمرء ببساطة قطع الجزء ثقب الأنبوب وإيقاف إعادة إدراج الإبرة.

يتم توجيه نمو الغشاء من قبل بuoyancy، وإلى درجة أقل، ضغط الحقن. تغيير جذري في ضغط الحقن يمكن أن يسبب انهيار الحديقة الكيميائية، وخاصة في الأنظمة التي لا تنتج رواسب قوية. عند التبديل الحقن، فمن المهم عقد حقنة يتم إزالتها في، أو أعلى بقليل، ومستوى السوائل لمنع تدفق مرة أخرى، وتصنيف احتمالا. يمكن أيضا يمكن تجنب مثل هذا الحدث من خلال إقامة مثل هذه التجربة أن ضخ حقنة في المستوى التقريبي للخزانات. ليس هناك فرق كبير على البيانات المحتملة الغشاء إذا كانت التجربة "إيقاف مؤقت" لفترة من الوقت أثناء تبديل المحاقن، طالما بقيت حديقة الكيميائية دون عائق. وبالتالي فمن المستحسن للتبديل المحاقن بعناية، واحدة في وقت واحد، وتأمين حقنة التي تحتضن الضغط الداخلي للحديقة الكيميائية بحيث لا يمكن أن "تدفق مرة أخرى"، قبل ان ينتقل الى المرحلة التالية. يجب أن تبقى معدل حقن CONST إلى حد ماالنمل بين الحقن الأولى والثانية، وبشكل عام لا ينبغي أن تكون سريعة جدا (الحد الأدنى من الوقت تجربة ~ عدة ساعات)، لأن ضغط الحقن الزائد سوف تمزق الغشاء.

هذه التجربة هي تنوعا من حيث أنه يسمح للتحقيق النمو راسب الذاتي تجميع في مجموعة متنوعة من أنظمة التفاعل، بما في ذلك تلك الموجودة في أي واحد أو أكثر من الكواشف موجودة في نفس الحل. ومبادلة الحقن يسمح لاحتمال متزايد حديقة الكيميائية مستقرة باستخدام أحد الكيمياء رد فعل، ثم استخدام هذا الهيكل بأنه "مفاعل كيميائي" لمكون الثاني يمر. على سبيل المثال، إذا كان أحد يريد أن التحقيق ما إذا كانت الجزيئات العضوية يمكن أن تصبح استيعابها و / أو تتفاعل داخل مدخنة المائية تتكون من المعادن الحديد 26، يمكن للمرء أن تنمو في حديقة الكيميائي للمكونات غير العضوية ذات الصلة، وبعد ذلك تتغذى من خلال حقنة الثانية من محلول يحتوي على، ل سبيل المثال، النيوكليوتيدات، الأحماض الأمينية، والببتيدات،أو RNA 28. وسيكون لذلك تأثير التكثيف وامتصاص المكونات العضوية في راسب وليس لهم تشتيت في المكمن. في تجاربنا، لاحظنا أن حقن الثانوي تسبب المداخن كبريتيد الحديد لتنمو على الجزء العلوي من المداخن هيدروكسيد الحديد القائمة، ويفترض من خلال تمزق في الغشاء الأصلي بسبب ضغط السائل. وهكذا، يمكن للالداخلية من المداخن مختلفة أن تكون على الأقل على اتصال إلى حد ما، وأجزاء من المعادن المختلفة في الغشاء قد تخدم وظائف مختلفة في السيناريو الأصلي عمرها، على سبيل المثال، كبريتيد المعادن المؤكسدة المائية H 2 / الحد CO المحيطات 2 32،33 والحديد oxyhydroxides القيادة ردود الفعل الفوسفات والحد من نترات الأمونيوم لفي الموقع 5،34،35. ويمكن إجراء تحقيقات علوم المواد باستخدام هذا النوع من التجربة كذلك؛ على سبيل المثال، وتشكيل عمدا حدائق الكيميائية للعناصر الحفازة (على سبيل المثال، اتحاد المحامين العربminosilicates) ثم تغذية المكونات الأخرى (على سبيل المثال، جزيئات عضوية أو الفوسفات) من خلالهم للرد. يمكن للمرء أيضا استكشاف تشكيل المواد الطبقات بالتناوب الحقن لإنتاج الرواسب غير العضوية المختلفة (كما هو الحال في Roszol وSTEINBOCK 2011 23). انها مسألة بسيطة للحفاظ على أوعية التفاعل الفردية في ظل الظروف اللاهوائية أو أي فراغ الرأس الغاز المطلوب خلال تشكيل حديقة الكيميائية.

القيود المفروضة على هذا النوع من التجربة هي ترجع في معظمها إلى حقيقة أن الهياكل حديقة الكيميائية في أنظمة مدفوعا التضخم، الطفو والحمل من الصعب جدا السيطرة عليها. يمكن للهياكل راسب يكون هشا ويصعب إزالتها وتحليل بعد التجربة. بالإضافة إلى ذلك، منذ نمو الحديقة الكيميائية هو دائما لا يمكن التنبؤ بها، وذلك لضمان قياس غشاء المحتملة، يجب أن نأى السلك "الخارجي" في الخزان من وجهة الحقن، لمنع الكيماوياتل حديقة يغلف كل من الأسلاك. ومع ذلك، مع هذه الاحتياطات يعني أن الأسلاك هي عادة ليست بموقع مثالي بالقرب من الغشاء. بدلا من ذلك، يمكن أن يتحقق غشاء غير العضوية قياسات دقيقة المحتملة من خلال زراعة الغشاء على قالب ورقة شهادة جامعية بين الحلين 36. في التجارب حديقة الكيميائية أنه ليس عادة من الممكن أن يجرب و / أو قياس (على سبيل المثال، ودرجة الحموضة) الحل الداخلي. يمكن أن يتم إلا تحليل مفصل في الوقت الحقيقي على الحل الخزان.

الفتحات الطبيعية كما ستستضيف التدرجات الحرارية بين السائل ساخنة المائية (~ 70-100 ° C) والمحيطات 4، وذلك لمحاكاة النظم المائية قد يكون مطلوبا لزراعة حديقة الكيميائية في درجة حرارة أعلى والضغط 37، الأمر الذي يشكل التحديات مع الإعداد الموصوفة هنا. سيكون من الممكن التفاف زجاجة خزان في لفائف التدفئة لتنظيم درجة الحرارة قبل البدء. ومع ذلك، تختلفنوع الأنف والحنجرة من مضخة قد تكون ضرورية من أجل تسخين حل حقن بالمثل. لمحاكاة النظام الطبيعي، قد يكون من الضروري أن تشمل الغازات الذائبة (على سبيل المثال، CO 2) في أي حل. في حين أن هذا قد يكون من الأسهل لإنجاز داخل الخزان (منشط المحيط)، فإن ذلك يتطلب إعداد أكثر حذرا لحقن (المائية منشط). في أنظمة أعماق البحار، يمكن أن ارتفاع الضغط يؤثر على نمو مدخنة والكيمياء، واعتمادا على التجربة، وزيادة ضغط الغاز في كل من السوائل يمكن أن يكون لها تأثير كبير (على سبيل المثال، حل CO 2 يمكن أن يؤدي في الحديد هطول كربونات في الحديقة الكيميائية ، تعتمد أيضا على الضغط الهيدروستاتيكي 6). سوف تتضمن زيادة درجة الحرارة والضغط في التجارب حديقة الكيميائية من هذا النوع يؤدي إلى الكثير من الاحتمالات مثيرة للاهتمام، حيث درجة الحرارة والضغط تؤثر على الذوبان، وهطول الأمطار، وخصائص محددة من العديد من المعادن.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Syringe Pump Fisher 14-831-3 Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments
Ferrous chloride tetrahydrate Fisher I90500 Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)
Ferric chloride hexahydrate Fisher I88-100 Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS)
Sodium hydroxide Sigma-Aldrich S5881 reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous)
Sodium sulfide nonahydrate Fisher S425212 Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS). Store at -20 °C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H2S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood.
Potassium pyrophosphate Sigma-Aldrich 322431 97%
L-Alanine Sigma-Aldrich A7627
Syringes (10 cc) Fisher 14-823-16E BD™ Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)
Syringe needles (16 gauge) Fisher 14-826-18B BD™ General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm)
Tubing Cole Parmer EW-06407-71 Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16" ID x 1/8" OD
Aluminum seals Fisher 0337523C Thermo Scientific™ National™ Headspace 20 mm Crimp Seals
Gray butyl stoppers Fisher 0337522AA Thermo Scientific™ National™ 20 mm Septa for Headspace Vials
Serum bottles Sigma-Aldrich 33110-U Vials, crimp top, serum bottle, size 100 ml, clear glass, O.D. × H 51.7 mm × 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off.
Pipette tips VWR 53511-682 pipette tips 0.5-10 μl
Wire McMaster-Carr 8073K661 Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Leduc, S. The Mechanism of Life. , Rebman. London. (1911).
  2. Coatman, R. D., Thomas, N. L., Double, D. D. Studies of the growth of ‘‘silicate gardens’’ and related phenomena. J. Mater. Sci. 15, 2017-2026 (1980).
  3. Barge, L. M., et al. From Chemical Gardens to Chemobrionics. Chem. Rev. 115 (16), 8652-8703 (2015).
  4. Russell, M. J., Hall, A. J. The onset and early evolution of life. GSA Memoir. 198, 1-32 (2006).
  5. Russell, M. J., et al. The Drive to Life on Rocky and Icy Worlds. Astrobiology. 14 (4), 308-343 (2014).
  6. Macleod, G., Mckeown, C., Hall, A. J., Russell, M. J. Hydrothermal and oceanic pH conditions at 4Ga relevant to the origin of life. Origins Life Evol. B. 24, 19-41 (1994).
  7. Mielke, R. E., et al. Fabrication and Test of a Hydrothermal Reactor for Origin‐Of‐Life Experiments. Astrobiology. 10, 799-810 (2010).
  8. Russell, M. J., Hall, A. J. The emergence of life from iron monosulphide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J. Geol. Soc. Lond. 154, 377-402 (1997).
  9. Vance, S., Harnmeijer, J., Kimura, J., Hussmann, H., Demartin, B., Brown, J. M. Hydrothermal systems in small ocean planets. Astrobiology. 7, 987-1005 (2007).
  10. Ehlmann, B. L., Mustard, J. F., Murchie, S. L. Geologic setting of serpentine deposits on Mars. Geophys. Res. Lett. 37, L06201 (2010).
  11. Hsu, H. -W., et al. Ongoing hydrothermal activities within Enceladus. Nature. 519, 207-210 (2015).
  12. Cartwright, J. H. E., García-Ruiz, J. M., Novella, M. L., Otálora, F. Formation of Chemical Gardens. J. Colloid Interf. Sci. 256, 351-359 (2002).
  13. Barge, L. M., et al. Characterization of Iron-Phosphate-Silicate Chemical Garden Structures. Langmuir. 28, 3714-3721 (2012).
  14. Glaab, F., Kellermeier, M., Kunz, W., Morallon, E., García-Ruiz, J. M. Formation and Evolution of Chemical Gradients and Potential Differences Across Self-Assembling Inorganic Membranes. Angew. Chem. Int. Edit. 124, 4393-4397 (2012).
  15. Pagano, J. J., Thouvenel-Romans, S. T., Steinbock, O. Compositional analysis of copper–silica precipitation tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 110-116 (2006).
  16. Parmar, K., et al. Characterization of cobalt precipitation tube synthesized through “silica garden” route. Mater. Charact. 60, 863-868 (2009).
  17. Parmar, K., Pramanik, A. K., Bandyopadhya, N. R., Bhattacharjee, S. Synthesis and characterization of Fe(III)-silicate precipitation tubes. Mater. Res. Bull. 45, 1283-1287 (2010).
  18. Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, I. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. I. Effect of the Nature of the Cations. Langmuir. 27, 3286-3293 (2011).
  19. Stone, D. A., Goldstein, R. E. Tubular precipitation and redox gradients on a bubbling template. P. Natl. Acad. Sci. USA. 101 (32), 11537-11541 (2004).
  20. Makki, R., Ji, X., Mattoussi, H., Steinbock, O. Self-Organized Tubular Structures as Platforms for Quantum Dots. J. Am. Chem. Soc. 136, 6463-6469 (2014).
  21. Long, D. -L., Tsunashima, R., Cronin, L. Polyoxometalates: Building Blocks for Functional Nanoscale Systems. Angew. Chem. Int. Edit. 49, 1736-1758 (2010).
  22. Mielke, R. E., et al. Iron-Sulfide-Bearing Chimneys as Potential Catalytic Energy Traps at Life’s Emergence. Astrobiology. 11, 933-950 (2011).
  23. Roszol, L., Steinbock, O. Controlling the Wall Thickness and Composition of Hollow Precipitation Tubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 20100 (2011).
  24. Ludwig, K. A., Kelley, D. S., Butterfield, D. A., Nelson, B. K., Früh-Green, G. Formation and evolution of carbonate chimneys at the Lost City Hydrothermal Field. Geochim. Cosmochim. Ac. 70, 3625-3645 (2006).
  25. Russell, M. J., Hall, A. J., Turner, D. In vitro growth of iron sulphide chimneys: possible culture chambers for origin-of-life experiments. Terra Nova. 1, 238-241 (1989).
  26. Russell, M. J., Daniel, R. M., Hall, A. J., Sherringham, J. A. A hydrothermally precipitated catalytic iron sulphide membrane as a first step toward life. J. Mol. Evol. 39 (3), 231-243 (1994).
  27. Barge, L. M., et al. Pyrophosphate Synthesis in Iron Mineral Films and Membranes Simulating Prebiotic Submarine Hydrothermal Systems. Geochim. Cosmochim. Ac. 128, 1-12 (2014).
  28. McGlynn, S. E., Kanik, I., Russell, M. J. Peptide and RNA contributions to iron-sulphur chemical gardens as life's first inorganic compartments, catalysts, capacitors and condensors. Philos. T. R. Soc. S-A. 370, 3007-3022 (2012).
  29. Cartwright, J. H. E., Escribano, B., Sainz-Díaz, C. I., Stocieck, L. S. Chemical-Garden Formation, Morphology, and Composition. II. Chemical Gardens in Microgravity. Langmuir. 27, 3294-3300 (2011).
  30. Thouvenel-Romans, S., Steinbock, O. Oscillatory Growth of Silica Tubes in Chemical Gardens. J. Am. Chem. Soc. 125, 4338-4341 (2003).
  31. Batista, B. C., Cruz, P., Steinbock, O. From Hydrodynamic Plumes to Chemical Gardens: The Concentration-Dependent Onset of Tube Formation. Langmuir. 30, 9123-9129 (2014).
  32. Herschy, B., et al. An origin-of-life reactor to simulate alkaline hydrothermal vents. J. Mol. Evol. 79, 213-227 (2014).
  33. Yamaguchi, A., Yamamoto, M., Takai, K., Ishii, T., Hashimoto, K., Nakamura, R. Electrochemical CO2 Reduction by Ni-containing Iron Sulfides: How Is CO2 Electrochemically Reduced at Bisulfide-Bearing Deep-sea Hydrothermal Precipitates? Electrochim. Acta. 141, 311-318 (2014).
  34. Hansen, H. C. B., Guldberg, S., Erbs, M., Koch, C. B. Kinetics of nitrate reduction by green rusts—effects of interlayer anion and Fe (II): Fe (III) ratio. Appl. Clay Sci. 18 (1), 81-91 (2001).
  35. Trolard, F., Bourrié, G. Fougerite a natural layered double hydroxide in gley soil: habitus, structure, and some properties. Clay Minerals in Nature - Their Characterization, Modification and Application. , InTech. (2012).
  36. van Oss, C. J. Specifically Impermeable Precipitate Membranes. Surface and Colloid Science. , Springer. US. 115-144 (1984).
  37. Baaske, P., et al. Extreme accumulation of nucleotides in simulated hydrothermal pore systems. P. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 9346-9351 (2007).

Tags

الكيمياء، العدد 105، حدائق الكيميائية الحرارية المائية المنافس، التجميع الذاتي، البيولوجيا الفلكية، أصل الحياة، عضوي الأغشية
حدائق الكيميائية كما تدفق من خلال المفاعلات محاكاة الأنظمة الحرارية المائية الطبيعية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Barge, L. M., Abedian, Y., Doloboff, … More

Barge, L. M., Abedian, Y., Doloboff, I. J., Nuñez, J. E., Russell, M. J., Kidd, R. D., Kanik, I. Chemical Gardens as Flow-through Reactors Simulating Natural Hydrothermal Systems. J. Vis. Exp. (105), e53015, doi:10.3791/53015 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter