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新的成像方法以近原子尺度观察土壤碳

地球土壤中的碳含量是大气中碳含量的三倍以上,但结合土壤中碳的过程仍未得到很好的理解。增进这种了解可能有助于研究人员制定策略,以将更多的碳螯合在土壤中,从而使其远离与氧气结合并充当温室气体的大气。

一项新的研究描述了一种突破性的方法,该方法可以对物理和化学相互作用进行成像,该方法以接近原子级的比例将碳固存在土壤中,并产生了令人惊讶的结果。

这项名为“纳米尺度的土壤中的有机-有机和有机-矿物界面”的研究于11月30日在《自然通讯》上发表。

在该分辨率下,研究人员首次表明,土壤碳与矿物质以及有机材料(例如细菌细胞壁和微生物副产物)中的其他形式的碳相互作用。以前的影像学研究仅指出土壤中碳与矿物质之间的分层相互作用。

“如果有一种被忽视的机制可以帮助我们在土壤中保留更多的碳,那么这将有助于我们的气候,”综合植物科学学院土壤与作物科学学院的自由海德·贝利教授约翰内斯·莱曼说,在农业与生命科学学院。Angela Possinger博士 '19,是雷曼实验室的研究生,目前是弗吉尼亚理工大学的博士后研究员,是该论文的第一作者。

由于这项新技术的分辨率接近原子级,研究人员不确定他们正在寻找什么化合物,但他们怀疑在土壤中发现的碳很可能来自土壤微生物产生的代谢产物以及微生物细胞壁。莱曼说:“很可能这是一个微生物墓地。”

Possinger说:“我们有一个出乎意料的发现,我们可以看到不同形式的碳之间的界面,而不仅仅是碳和矿物之间的界面。” “我们可以开始研究那些界面,并尝试了解有关这些交互的一些信息。”

该技术揭示了那些有机界面周围的碳层。Possinger说,这也表明氮是促进有机和矿物界面之间化学相互作用的重要因素。

她说,结果是,农民可以通过考虑土壤改良剂中氮的形式,通过固碳来改善土壤健康状况并缓解气候变化。

在攻读博士学位时,波斯辛格与康奈尔大学的物理学家合作了多年,其中包括合著者应用与工程物理学副教授Lena Kourkoutis以及大卫·穆勒(Samuel B. Eckert工程与应用物理工程学教授),以及康奈尔大学纳米级科学Kavli研究所所长-帮助开发多步法。

研究人员计划使用功能强大的电子显微镜将电子束聚焦到亚原子尺度,但他们发现电子会修饰并破坏松散而复杂的土壤样品。结果,他们不得不将样品冷冻到大约摄氏180度左右,从而减少了光束的有害影响。

Possinger说:“我们必须开发一种技术,该技术本质上是在制作非常薄的薄片以观察这些微小界面的整个过程中保持土壤颗粒冻结。”

Kourkoutis说,然后可以对整个样品进行扫描,以产生土壤样品及其复杂界面的结构和化学图像。

莱曼说:“我们的物理学同事正在全球领先,以提高我们非常仔细地研究材料特性的能力。” “没有这种跨学科的合作,这些突破是不可能的。”

Kourkoutis说,新的低温电子显微镜和光谱技术将使研究人员能够探测软硬材料之间的整个界面,包括在电池,燃料电池和电解槽的功能中发挥作用的那些界面。

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