Ny billeddannelsesmetode viser jordens kulstof på atomær skala

Jordens jordbund indeholder mere end tre gange mængden af ​​kulstof, end der findes i atmosfæren, men de processer, der binder kulstof i jorden, er stadig ikke godt forstået.

Forbedring af en sådan forståelse kan hjælpe forskere med at udvikle strategier til at binde mere kulstof i jorden, derved holdes det ude af atmosfæren, hvor det kombineres med ilt og fungerer som en drivhusgas.

En ny undersøgelse beskriver en banebrydende metode til billeddannelse af de fysiske og kemiske interaktioner, der binder kulstof i jorden på nær atomare skalaer, med nogle overraskende resultater.

Studiet, "Organo-organiske og Organo-mineralske grænseflader i jord på nanometerskalaen, " blev udgivet 30. november i Naturkommunikation .

Ved den beslutning, forskerne viste - for første gang - at jordens kulstof interagerer med både mineraler og andre former for kulstof fra organiske materialer, såsom bakterielle cellevægge og mikrobielle biprodukter. Tidligere billedforskning havde kun peget på lagdelte interaktioner mellem kulstof og mineraler i jord.

"Hvis der er en overset mekanisme, der kan hjælpe os med at bevare mere kulstof i jorden, så vil det hjælpe vores klima, " sagde seniorforfatter Johannes Lehmann, Liberty Hyde Bailey professor ved School of Integrative Plant Science, Sektion for jord- og afgrødevidenskab, i Højskolen for Landbrug og Biovidenskab. Angela Possinger Ph.D. '19, som var kandidatstuderende i Lehmanns laboratorium og i øjeblikket er postdoktor ved Virginia Tech University, er avisens første forfatter.

Da opløsningen af ​​den nye teknik er tæt på atomær skala, forskerne er ikke sikre på, hvilke forbindelser de kigger på, men de formoder, at kulstoffet, der findes i jord, er sandsynligvis fra metabolitter produceret af jordmikrober og fra mikrobielle cellevægge. "Sandsynligvis, dette er en mikrobiel kirkegård, " sagde Lehmann.

"Vi havde et uventet fund, hvor vi kunne se grænseflader mellem forskellige former for kulstof og ikke kun mellem kulstof og mineraler, " sagde Possinger. "Vi kunne begynde at se på disse grænseflader og prøve at forstå noget om disse interaktioner."

Teknikken afslørede lag af kulstof omkring disse organiske grænseflader. Det viste også, at nitrogen var en vigtig spiller for at lette de kemiske interaktioner mellem både organiske og mineralske grænseflader, sagde Possinger.

Som resultat, landmænd kan forbedre jordens sundhed og afbøde klimaændringer gennem kulstofbinding ved at overveje formen for nitrogen i jordændringer, hun sagde.

Mens hun forfulgte sin doktorgrad, Possinger arbejdede i årevis med Cornell-fysikere - inklusive medforfatterne Lena Kourkoutis, lektor i anvendt og teknisk fysik, og David Muller, Samuel B. Eckert professor i ingeniørvidenskab i anvendt og teknisk fysik, og meddirektøren for Kavli-instituttet ved Cornell for Nanoscale Science - for at hjælpe med at udvikle flertrinsmetoden.

Forskerne planlagde at bruge kraftige elektronmikroskoper til at fokusere elektronstråler ned til subatomare skalaer, men de fandt, at elektronerne modificerede og beskadigede løse og komplekse jordprøver. Som resultat, de var nødt til at fryse prøverne til omkring minus 180 grader Celsius, hvilket reducerede skadevirkningerne fra bjælkerne.

"Vi var nødt til at udvikle en teknik, der i det væsentlige holder jordpartiklerne frosne under hele processen med at lave meget tynde skiver for at se på disse små grænseflader, " sagde Possinger.

Strålerne kunne derefter scannes hen over prøven for at producere billeder af strukturen og kemien af ​​en jordprøve og dens komplekse grænseflader, sagde Kourkoutis.

"Vores fysikkolleger er førende globalt for at forbedre vores evne til at se meget nøje på materialeegenskaber, " sagde Lehmann. "Uden et sådant tværfagligt samarbejde, disse gennembrud er ikke mulige."

Den nye kryogene elektronmikroskopi- og spektroskopiteknik vil give forskere mulighed for at undersøge en lang række grænseflader mellem bløde og hårde materialer, inklusive dem, der spiller en rolle i funktionen af ​​batterier, brændselsceller og elektrolysatorer, sagde Kourkoutis.