Giardini chimici come flusso attraverso Reattori simulando naturali idrotermali Sistemi
Summary
We describe chemical garden formation via injection experiments that allow for laboratory simulations of natural chemical garden systems that form at submarine hydrothermal vents.
Abstract
Here we report experimental simulations of hydrothermal chimney growth using injection chemical garden methods. The versatility of this type of experiment allows for testing of various proposed ocean / hydrothermal fluid chemistries that could have driven reactions toward the origin of life in environments on the early Earth, early Mars, or even other worlds such as the icy moons of the outer planets. We show experiments that include growth of chemical garden structures under anoxic conditions simulating the early Earth, inclusion of trace components of phosphates / organics in the injection solution to incorporate them into the structure, a switch of the injection solution to introduce a secondary precipitating anion, and the measurement of membrane potentials generated by chemical gardens. Using this method, self-assembling chemical garden structures were formed that mimic the natural chimneys precipitated at submarine hydrothermal springs, and these precipitates can be used successfully as flow-through reactors by feeding through multiple successive “hydrothermal” injections.
Introduction
"Giardini chimiche" sono precipitati inorganici autoassemblanti sviluppati dove due fluidi chimiche contrastanti interagiscono 1,2. Queste strutture inorganiche autoassemblanti sono stati oggetto di interesse scientifico per oltre un secolo in parte a causa del loro aspetto biomimetica, e sono stati perseguiti numerosi studi sperimentali e teorici per comprendere i vari aspetti complessi e possibili funzioni dei sistemi giardino chimici 3. Esempi naturali di giardini chimiche includono minerali "camino" precipitati che crescono intorno sorgenti idrotermali e filtra, e si è sostenuto che queste potrebbero fornire ambienti plausibili per la vita di emergere 4. Per crescere un giardino chimica simulando un naturale sfogo idrotermale camino, una soluzione di riserva dovrebbe rappresentare una composizione oceano simulato e una soluzione per l'iniezione dovrebbe rappresentare il fluido idrotermale che alimenta nell'oceano. La versatilità di questo tipo oesperimento f per sistemi di reazione diversi permette la simulazione di quasi tutti oceano / idrotermale chimica dei fluidi proposti, compresi gli ambienti sulla Terra primordiale o su altri mondi. Sulla Terra primordiale, gli oceani sarebbero stati anossica, acido (pH 5-6), e avrebbe contenuto sciolto CO 2 atmosferica e Fe 2+, così come Fe III, Ni 2+, Mn 2+, NO 3- e NO 2-. Reazioni chimiche tra questa acqua di mare e l'oceano ultramafiche crosta avrebbero prodotto un fluido idrotermale alcalina contenente idrogeno e metano, e in alcuni casi solfuro (HS -) 4-8. I camini formatisi in ambienti di sfogo alcalino primi della Terra potrebbero così potuto contenere ossidrossidi di ferro / ferrosi e solfuri di ferro / nichel, ed è stato proposto che questi minerali potrebbero aver servito particolari funzioni catalitiche e proto-enzimatica verso sfruttando geochimici redox / gradienti di pH a guidare l'emergere di Metabolism 5. Allo stesso modo, su altri mondi come quello può ospitare (o possono aver ospitato) acqua / interfacce di roccia – come presto Marte, la luna di Giove, Europa, o della luna di Saturno Encelado – è possibile che la chimica dell'acqua / roccia potrebbe generare ambienti di sfiato alcaline in grado di guida chimica prebiotica o anche fornendo nicchie abitabili per la vita esistente 5,9-11.
L'esperimento giardino chimica classica comporta un cristallo seme di un sale di metallo, ad esempio cloruro tetraidrato ferrosi FeCl 2 • 4H 2 O, immersi in una soluzione contenente anioni reattivi, ad esempio silicato di sodio o "acqua di vetro". Le sale si sciolga metallo, creando una soluzione acida contenente Fe 2+ che si interfaccia con la soluzione più alcalino (contenente anioni silicato e OH -) e una membrana inorganica precipitato si forma. Le onde membrana sotto pressione osmotica, scoppia, poi ri-precipitati unt la nuova interfaccia fluida. Questo processo si ripete fino a quando i cristalli si dissolvono, con un conseguente orientato verticalmente, struttura precipitato auto-organizzato con morfologia complessa in entrambe le scale macro e micro. Questo processo comporta la precipitazione continua separazione delle soluzioni chimicamente contrastanti attraverso la membrana giardino chimico inorganico, e la differenza di specie cariche attraverso la membrana produce un potenziale di membrana 12-14. Strutture giardino Chemical sono complesse, esibendo gradienti compositivi dall'interno all'esterno 13,15-19, e le pareti della struttura mantengono separazione tra soluzioni contrastanti per lunghi periodi, pur rimanendo alquanto permeabili agli ioni. Oltre ad essere un esperimento ideale per scopi educativi (in quanto sono semplici da fare per le dimostrazioni in classe, e possono educare gli studenti circa le reazioni chimiche e di auto-organizzazione), i giardini chimici hanno un significato scientifico come rappresentazioni di auto-assembly in, lontano dall'equilibrio sistemi dinamici, che coinvolge i metodi che possono portare alla produzione di materiali interessanti ed utili 20,21.
Giardini chimici in laboratorio possono essere coltivate con metodi di iniezione, in cui la soluzione contenente uno ione precipitante viene iniettata lentamente nella seconda soluzione contenente lo ione co-precipitante (o ioni). Ciò provoca la formazione di strutture da giardino chimiche simili a quelle di esperimenti di crescita dei cristalli, tranne che le proprietà del sistema e il precipitato può essere meglio controllati. Il metodo di iniezione ha diversi vantaggi significativi. Essa permette di formare un giardino chimica utilizzando qualsiasi combinazione di precipitanti o costituite specie, cioè, più ioni precipitanti possono essere incorporati in una soluzione, e / o altri componenti non-precipitante può essere incluso in entrambe le soluzioni di adsorbimento / reagiscono con il precipitato . Il potenziale di membrana generato in un prodotto chimicogiardino sistema può essere misurata in un esperimento di iniezione se un elettrodo è incorporato all'interno della struttura, permettendo così lo studio elettrochimico del sistema. Esperimenti iniezione offrono la possibilità di alimentare la soluzione iniettabile nell'interno del giardino chimica per tempi controllati variando la velocità di iniezione o volume totale iniettato; è quindi possibile alimentare attraverso diverse soluzioni sequenza e utilizzare la struttura precipitato come una trappola o reattore. Queste tecniche combinate, consentono simulazioni di laboratorio dei processi complessi che potrebbero si sono verificati in un sistema di giardino sostanza chimica naturale in uno sfogo sottomarino idrotermale, tra cui un camino formata da molte reazioni di precipitazione simultanee tra oceano e sfiato fluido (ad esempio, la produzione di solfuri metallici, idrossidi e / o carbonati e silicati) 5,22. Queste tecniche possono anche essere applicati a qualsiasi sistema di reazione chimica giardino per consentire la formazione di nuovi tipidi materiali, ad esempio, tubi stratificati o tubi con adsorbite specie reattive 20,23.
Abbiamo dettaglio qui un esperimento esempio che include la crescita simultanea di due giardini, Fe 2+ chimici -contenenti strutture in un ambiente anossico. In questo esperimento abbiamo incorporato tracce di polifosfati e / o amminoacidi nella soluzione iniezione iniziale per osservare il loro effetto sulla struttura. Dopo la formazione iniziale del giardino chimico abbiamo poi cambiato la soluzione per l'iniezione di introdurre solfuro come precipitante anione secondario. Misure di potenziali di membrana sono stati effettuati automaticamente durante l'esperimento. Questo protocollo descrive come eseguire due esperimenti in una sola volta con una pompa a doppia siringa; I dati riportati necessari più esecuzioni di questa procedura. Le relativamente elevate portate, basso pH delle concentrazioni serbatoio e reagenti impiegati nei nostri esperimenti sono progettati per formare precipitati grande camino in tempo scbirre adatte per esperimenti di laboratorio di un giorno. Tuttavia, le portate di fluido a sorgenti idrotermali naturali possono essere molto più diffuse e le concentrazioni di reagenti precipitante (ad esempio, Fe e S in un sistema di terra in anticipo) potrebbe essere un ordine di grandezza inferiore 4; quindi, precipitati strutturati formerebbero su scale temporali più lunghi e la bocca potrebbe essere attivo per decine di migliaia di anni 24,25.
Protocol
Representative Results
Discussion
La formazione di una struttura chimica giardino tramite metodo di iniezione può essere realizzato interfacciamento qualsiasi due soluzioni contenenti ioni reattivi che producono un precipitato. Ci sono molti sistemi di reazione possibili che produrranno strutture precipitato e trovare la giusta ricetta di ioni reattivi e concentrazioni di coltivare un struttura desiderata è una questione di tentativi ed errori. La portata della soluzione di iniezione è controllata da una pompa a siringa programmabili e questo può an…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was carried out at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, under a contract with the National Aeronautics and Space Administration. We acknowledge the support by the NASA Astrobiology Institute (Icy Worlds). L.M.B. is supported by the NAI through the NASA Postdoctoral Program, administered by Oak Ridge Associated Universities through a contract with NASA. J.E.N. was supported through a US Department of Education PR/Award #: P031C110019 administered through Citrus College. We acknowledge useful discussions with members of the NAI Thermodynamics, Disequilibrium, and Evolution Focus Group and the Blue Marble Space Institute of Science.
Materials
| 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 -20C. 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%, http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/322431?lang=en®ion=US |
| L-Alanine | Sigma-Aldrich | A7627 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a7627?lang=en®ion=US |
| Syringes (10cc) | 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. (38mm) |
| 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 20mm Crimp Seals |
| Gray butyl stoppers | Fisher | 0337522AA | Thermo Scientific™ National™ 20mm 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 microliters |
| Wire | McMaster-Carr | 8073K661 | Solid Single-Conductor Wire, UL 1007/1569, 20 AWG, 300 VAC |
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