a–c Misura Raman della parete ad alta tensione vicino al canale del fluido. Sovrapposizione della mappa Raman con la corrispondente immagine SEM. Una mappa Raman è un’immagine sovrapposta di tre picchi specifici. La mappa Raman mostra che i cristalli di brucite e carbonato di magnesio erano posizionati separatamente nella parete, mentre gli ioni carbonato erano presenti in tutte le regioni, indicando l’adsorbimento degli ioni carbonato da parte della brucite. b Spettri Raman dei cristalli di superficie (blu) e di parete ad alta tensione (rosso) nelle posizioni mostrate in (a, c). c Mappa dei tre picchi Raman identificati, rosso: 442,6 cm −1 (vibrazione del reticolo brucite, A1g, larghezza 47,5 cm −1), blu: 1109,7 cm −1 (carbonato, larghezza 73,4 cm −1) e verde: 3420,7 cm − 1 (Acqua multistrato, larghezza 98,8 cm−1). I picchi corrispondenti negli spettri sono mostrati in (b). – Comunicazioni sulla natura
I ricercatori guidati da Ryohei Nakamura presso il RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) in Giappone e l’Earth Life Sciences Institute (ELSI) del Tokyo Institute of Technology hanno scoperto nanostrutture inorganiche che circondano le sorgenti idrotermali nelle profondità dell’oceano che sono sorprendentemente simili alle molecole trovato nell’oceano profondo. Rendere possibile la vita come la conosciamo.
Queste nanostrutture sono auto-organizzate e agiscono come canali ionici selettivi, che generano energia che può essere sfruttata sotto forma di elettricità. Pubblicati il 25 settembre sulla rivista Nature Communications, i risultati non solo influenzano la nostra comprensione di come è iniziata la vita, ma potrebbero anche essere applicati alla raccolta artificiale di energia blu.
Quando l’acqua di mare penetra nella terra attraverso le fessure del fondale oceanico, viene riscaldata dal magma, risale in superficie e viene quindi rilasciata nuovamente nell’oceano attraverso fessure chiamate prese d’aria idrotermali. L’acqua calda che sale contiene minerali disciolti acquisiti nelle profondità della Terra e quando incontra l’acqua fredda dell’oceano, le reazioni chimiche spingono gli ioni minerali fuori dall’acqua dove formano strutture solide attorno all’apertura chiamate sedimenti.
Si ritiene che le sorgenti idrotermali siano la culla della vita sulla Terra perché forniscono le condizioni necessarie: sono stabili, ricche di minerali e contengono fonti di energia. Gran parte della vita sulla Terra dipende dall’energia osmotica, che viene creata dai gradienti ionici – la differenza nelle concentrazioni di sale e protoni – tra l’interno e l’esterno delle cellule viventi.
I ricercatori del RIKEN CSRS hanno studiato le sorgenti idrotermali contenenti serpentinite perché questo tipo di sorgenti contengono depositi minerali con una struttura stratificata molto complessa costituita da ossidi metallici, idrossidi e carbonati. “Inaspettatamente, abbiamo scoperto che la conversione dell’energia osmotica, una funzione vitale nella vita moderna di piante, animali e microbi, può avvenire abioticamente in un ambiente geologico”, afferma Nakamura.
Immagine dei depositi ad alta tensione raccolti dal campo Shinkai Sip. b, c Immagini al microscopio ottico polarizzato di fette HV verticali (b) e orizzontali (sezione trasversale, c). Nell’immagine a sezione orizzontale, i canali del fluido di scarico e i modelli di linee periodiche nella parete ad alta tensione sono indicati rispettivamente come asterischi gialli e frecce rosse. d – g Immagini SEM di un frammento HV tagliato naturalmente. d, e Pareti inorganiche con diverse direzioni di clivaggio. Le pareti mostrano strutture stratificate, dove gli strati seguono la forma del muro. f L’ingrandimento della parete (area nel riquadro in e) rivela la struttura del sottostrato con caratteristiche compatte. g Strutture del sottostrato in diverse posizioni delle pareti. Sottostrati spessi da 2 a 5 μm (parentesi quadre gialle) formano la parete e mostrano una tessitura uniassiale. Le caratteristiche uniassiali risultano da una serie di nanocristalli multipli mostrati nel riquadro. h Immagine TEM dei cristalli che formano i sottostrati. Immagine HAADF-STEM del cristallo con nanofori visibili all’interno. – Comunicazioni sulla natura
I ricercatori stavano studiando campioni raccolti dal giacimento Shinkai Sib, situato nella Fossa delle Marianne nell’Oceano Pacifico, a una profondità di 5.743 metri. Il campione principale era un pezzo lungo 84 cm composto principalmente da brucite.
Microscopi ottici e scansioni a raggi X di dimensioni micrometriche hanno rivelato che i cristalli di brucite erano disposti in colonne continue che fungevano da nanocanali per il fluido di scarico. I ricercatori hanno osservato che la superficie del deposito era carica elettricamente e che l’entità e la direzione della carica, positiva o negativa, variavano sulla superficie.
Sapendo che i nanopori strutturati con carica variabile sono segni distintivi della conversione dell’energia osmotica, hanno poi testato se la conversione dell’energia osmotica avviene effettivamente in modo naturale nelle rocce inorganiche delle profondità marine.
Immagine ottica del chip ad alta tensione (sopra) e la corrispondente mappa 3D della densità di scattering (sotto). Nella mappa di densità 3D, le intensità di diffusione nei singoli punti di scansione vengono combinate e convertite in valori singoli. B – Analisi WAXS su campione di parete ad alta tensione. b Immagine ottica dell’area di scansione. c Schemi di diffrazione della brucite 001 identificati in più punti (riquadri rossi in b). Le frecce nere a doppia punta mostrano la direzione preferita del livello brucite (001). Immagini schematiche che mostrano l’orientamento preferito degli strati di brucite sono mostrate sotto gli schemi di diffrazione. La struttura cristallina della brucite è costituita da uno strato di MgO6 accoppiato ai bordi nel piano (001) e una pila di idrossido stratificata lungo l’asse c. d Diagrammi vettoriali che mostrano la direzione e l’intensità della direzione preferita del livello (001). I modelli di diffrazione sono stati analizzati e tracciati in due posizioni diverse (scansione lineare). Le linee nere in (b) mostrano la posizione della scansione della linea. Il colore e la lunghezza dei vettori rappresentano il valore della massima intensità di scattering dell’anello asimmetrico. La direzione del vettore indica la direzione dell’asse di intensità più forte dell’anello asimmetrico e mostra la direzione della direzione preferita. e Mappa 2D del grafico vettoriale sovrapposto all’immagine ottica mostrata in (b). f Schema della disposizione del livello della brucite (001) attorno al canale basato sulla scansione WAXS/SAXS e sull’analisi POM. Viene mostrato anche l’asse c corrispondente alla brucite. – Comunicazioni sulla natura
Il team ha utilizzato un elettrodo per registrare la tensione corrente dei campioni. Quando i campioni venivano esposti ad alte concentrazioni di cloruro di potassio, la conduttività era proporzionale alla concentrazione di sale sulla superficie dei nanopori.
Ma a concentrazioni più basse, la conduttività era costante, sproporzionata ed era determinata dalla carica elettrica locale della superficie del precipitato. Questo trasporto ionico controllato dalla carica è molto simile ai canali ionici voltaggio-dipendenti osservati nelle cellule viventi come i neuroni.
Testando campioni con gradienti chimici trovati nelle profondità dell’oceano dove sono stati estratti, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che i nanopori agiscono come canali ionici selettivi. Laddove i carbonati aderiscono alla superficie, i nanopori consentono agli ioni di sodio positivi di fluire attraverso di essi. Tuttavia, nei nanopori di calcio attaccati alla superficie, i pori consentono il passaggio solo di ioni cloruro negativi.
“La formazione spontanea di canali ionici scoperti nelle sorgenti idrotermali delle profondità marine ha implicazioni dirette per l’origine della vita sulla Terra e oltre”, afferma Nakamura. “In particolare, il nostro studio mostra come la conversione dell’energia osmotica, una funzione vitale della vita moderna, possa avvenire abioticamente in un ambiente geologico”.
Le centrali elettriche industriali utilizzano i gradienti di salinità tra l’acqua di mare e l’acqua del fiume per generare energia, un processo chiamato raccolta di energia blu. Secondo Nakamura, comprendere come le strutture dei nanopori vengono generate spontaneamente nelle sorgenti idrotermali potrebbe aiutare gli ingegneri a escogitare modi artificiali migliori per generare energia elettrica dalla conversione osmotica.
Conversione dell’energia osmotica nelle prese d’aria idrotermali di acque profonde ospitate da serpentiniteComunicazioni sulla natura (accesso aperto)
astrobiologia, nanotecnologie,
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