突破性新的成像方法在近原子尺度上观看土壤碳

扫描本研究中使用的土壤骨料的电子显微镜图像。

地球的土壤含有比在大气中发现的碳量超过三倍，但在土壤中结合碳的过程仍然不太了解。

提高这种理解可能有助于研究人员制定用于在土壤中进行血液中血液汇流的策略，从而将其从其与氧气结合的大气中保持源于温室气体。

一个新的研究描述了一种突破性的方法，用于对近原子鳞片沉积土壤中碳的物理和化学相互作用进行成像，具有一些令人惊讶的结果。

研究，“纳米级土壤有机有机和有机矿物界面，”在2020年11月30日在自然通信中公布。

在该决议中，研究人员首次显示 - 土壤碳与来自有机材料的矿物和其他形式的碳相互作用，例如细菌细胞壁和微生物副产物。以前的成像研究只指出了土壤中碳和矿物质之间的分层相互作用。

“如果有一种忽视的机制，可以帮助我们在土壤中保留更多碳，然后这将有助于我们的气候，”综合植物科学，土壤和作物科学课学院自由海德·贝利教授，在农业学院和生命科学。Angela Possinger Ph.D.'19是Lehmann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，是纸张的第一作者。

由于新技术的分辨率近在原子规模，研究人员不确定他们正在寻找的化合物，但他们怀疑土壤中发现的碳可能来自土壤微生物和微生物细胞壁产生的代谢物。“在所有可能性中，这是一个微生物墓地，”Lehmann说。

“我们有一个意想不到的发现，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质之间，”Possinger说。“我们可以开始查看这些界面并试图了解有关这些互动的事情。”

该技术揭示了这些有机界面周围的碳层。它还表明，施用氮是富含物的重要人物，用于促进有机和矿物界面之间的化学相互作用。

因此，通过考虑土壤修正案中的氮形式，农民可以通过碳封存来改善土壤健康并减轻气候变化。

在追求她的博士学位的同时，Possinger多年来与康奈尔物理学家合作 - 包括合着者Lena Kourkoutis，应用和工程物理学副教授，David Muller，塞缪尔B. Eckert Engineerg of Engineergant Engineericics教授，以及联合主任康奈尔康奈尔科技学院的研究 - 帮助开发多步法。

研究人员计划使用强大的电子显微镜将电子束聚焦到亚原子尺度，但它们发现电子修饰和损坏松散和复杂的土壤样品。结果，它们必须冻结样品到减去180摄氏度周围，这减少了光束的有害影响。

“我们不得不开发一种技术，基本上使土壤颗粒在整个过程中冻结的过程，使得非常薄的切片看待这些微小的界面，”Possinger说。

Kourkoutis说，然后可以在样品上扫描梁，以产生土壤样本的结构和化学的图像及其复杂的界面。

“我们的物理同事在全球范围内领先，以提高我们将密切关注材料特性的能力，”Lehmann说。“如果没有这种跨学科合作，这些突破是不可能的。”

Kourkoutis表示，新的低温电子显微镜和光谱技术将允许研究人员探测软件和硬质材料之间的整个界面，包括那些在电池，燃料电池和电解器中发挥作用的界面。

参考：Angela R. Possinger，Michael J. Zachman，Aknaby Da Levin，David A. Muller，Lena F.Kourkoutis和Johannes Lehmann，迈克尔J. Zachman，Aknaby Da Levin，Jotie F. Kourkoutis和Johannes Lehmann，2020年11月30日，迈克尔J. Zachman，Aknaby Da Levin，Jotaby Da Levin ，Nature Communications.doi：
10.1038 / S41467-020-19792-9.

共同讲述包括迈克尔·扎克曼博士。'18是Kourkoutis'实验室的前研究生;莱曼实验室的前研究员Akio Enders;和巴纳比莱文博士。'17，穆勒实验室的前研究生。

该研究由国家科学基金会资助，慕尼黑高级研究所技术大学，安德鲁W.Mellon基金会和康奈尔农业学院和生命科学校友基金会。