在原子尺度上成像的海洋碳
海洋中的溶解海洋碳 (DOC) 是地球上最大的还原碳库之一。它比活生物圈大 200 倍左右，大小与大气中的二氧化碳储层相当。由于其复杂性，只有不到 10% 的溶解有机碳已被表征。了解这个碳库是什么很重要，这样我们就可以预测这个碳库将如何应对气候变化导致的温度升高。
IBM Research – 苏黎世的科学家与苏黎世大学、加州大学欧文分校和加州大学圣克鲁兹分校的化学海洋学家合作，对海洋溶解有机碳中存在的分子进行成像。这种方法使海洋科学家能够观察深海盆地中单个分子的结构，从而更好地了解海洋碳循环。我们的研究今天发表在同行评审期刊地球物理研究快报上。
神秘事物
虽然溶解的有机碳主要来自现代浮游植物的海洋表面，但矛盾的是，平均年龄（由放射性碳测年确定）比我们预期的要大 2,400 年！这表明一部分碳在多次深海混合循环中幸存下来。有几个有争议的范式来解释这个谜。一个主要理论表明，深海碳的长期存在是由其化学结构来解释的。然而，直到现在，溶解有机碳的结构从未被成像。
左侧：使用 5,6,8-trimethyl-2,3-dihydro-1H-cyclopenta[b]naphthalene（一种在深海中发现的分子）的 CO 功能化尖端的 AFM 图像。右图：使用在北太平洋深处发现的分子的共官能化尖端的 AFM 图像。
通过跨学科的协同合作打破障碍分析化学和化学海洋学中的新兴工具正在打破障碍，以更全面地了解表层和深层溶解的有机碳。溶解有机碳中化合物的复杂性是巨大的。这个海洋碳库包含数千种不同的分子。在 IBM，我们使用原子力显微镜 (AFM) 以原子分辨率对单个分子进行成像，以识别它们的分子结构——这是 IBM 科学家于 2009 年发明的方法。
左起右边，Leo Gross，IBM Research – Zurich； Alysha Inez Coppola，苏黎世大学； Fabian Schulz，IBM 研究部——苏黎世；Shadi Fatayer，IBM 研究部——苏黎世
在我们的研究中，我们解析了从北太平洋表层和深水 (2,500 m) 收集的溶解海洋碳样本，以阐明溶解有机碳在海洋中顽固的原因。
我们的研究结果表明，表面分子和深层分子之间存在显着差异。相比之下，来自深水的分子比表面的分子更平坦，脂肪族基团更少。这些结果支持了深海溶解有机碳的年龄与其结构顽抗性有关的假设。
我们为什么要关注溶解的有机碳？
溶解的有机碳是一个巨大的碳库，大约相当于我们大气中的碳量。为了了解碳循环以及它在温度升高的海洋中将如何变化，我们需要了解这个古老的海洋溶解有机碳池背后的顽固性。
在海水污染日益严重的世界中，鉴于世界环境日，这种方法将使海洋科学家能够调查海洋盆地中存在的个别化学结构，以更好地了解碳循环并揭示我们海洋的“健康”。
低分子量海洋溶解有机碳中单个芳香族化合物结构的直接可视化 , DOI:10.1029/2018GL077457
纳米材料