کشف راز مولکولی خاک‌های غنی از آهن؛ چگونه کربن برای قرن‌ها ذخیره می‌شود؟

در بحبوحه تلاش‌های جهانی برای کاهش کربن اتمسفر و مقابله با تغییرات اقلیمی، طبیعت مدت‌هاست که یک سیستم ذخیره‌سازی قدرتمند در اختیار دارد: خاک‌های غنی از آهن. این خاک‌ها میلیاردها تُن کربن را برای قرن‌ها در خود حبس کرده‌اند، اما مکانیسم دقیق این فرایند شیمیایی تا امروز یک راز باقی مانده بود.

اکنون، دانشمندان دانشگاه نورث‌وِسترن آمریکا موفق شده‌اند راز مولکولی این پدیده را کشف کنند. آن‌ها نشان داده‌اند که ماده معدنی رایجی به نام فِری‌هیدریت (Ferrihydrite)، که یکی از اکسیدهای آهن در خاک است، از ترکیبی از بارهای سطحی ناهمگون و پیوندهای شیمیایی قوی برای به دام انداختن کربن استفاده می‌کند. این کشف جدید، درک ما از نقش حیاتی خاک‌ها در چرخه جهانی کربن را عمیق‌تر می‌سازد.

خاک؛ دومین مخزن عظیم کربن روی زمین

خاک تنها بستری برای رشد گیاهان نیست، بلکه یکی از بزرگ‌ترین مخازن کربن طبیعی در سیاره زمین محسوب می‌شود. بر اساس داده‌های علمی، خاک‌های زمین در مجموع حدود ۲۵۰۰ میلیارد تُن کربن در خود ذخیره کرده‌اند؛ رقمی که تنها پس از اقیانوس‌ها در جایگاه دوم قرار می‌گیرد.

محققان سال‌ها می‌دانستند که آهن در این ذخیره‌سازی نقش کلیدی دارد، اما اینکه چگونه می‌تواند چنین طیف گسترده‌ای از ترکیبات آلی را با قدرت نگه دارد، نامشخص بود. مطالعه اخیر دانشگاه نورث‌وسترن نشان می‌دهد که پاسخ این معما در ساختار پیچیده سطح ذرات آهن نهفته است.

فری‌هیدریت؛ سطحی با بارهای متضاد در مقیاس نانو

فری‌هیدریت در نگاه اول ماده‌ای ساده به نظر می‌رسد و معمولاً دارای بار الکتریکی مثبت کلی است؛ به همین دلیل فرض می‌شد که تنها می‌تواند مولکول‌های با بار منفی را جذب کند. اما بررسی دقیق با میکروسکوپ نیروی اتمی و مدل‌سازی مولکولی نشان داد که سطح فری‌هیدریت یکنواخت نیست.

لودمیلا آریستیلد، رهبر این پژوهش، توضیح می‌دهد: «سطح فری‌هیدریت مانند یک موزاییک از لکه‌های مثبت و منفی در مقیاس نانومتری است. مجموع این بارهای پراکنده، در نهایت به ماده معدنی بار مثبت کلی می‌دهد.»

این ناهمگونی در بارهای سطحی باعث می‌شود فری‌هیدریت بتواند هم مولکول‌های دارای بار مثبت و هم منفی را به‌طور هم‌زمان به دام اندازد، که این موضوع ظرفیت بالای این خاک‌ها در جذب کربن را توضیح می‌دهد.

شیمیِ پیچیده حفظ کربن

تیم تحقیقاتی برای درک بهتر مکانیسم اتصال، فری‌هیدریت را در معرض ترکیبات آلی طبیعی رایج در خاک مانند اسیدهای آمینه، اسیدهای گیاهی، قندها و ریبونوکلئوتیدها قرار داد. آن‌ها با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز، دریافتند که هر نوع ماده آلی از مسیر متفاوتی برای اتصال به فری‌هیدریت استفاده می‌کند:

• اسیدهای آمینه مثبت: به نواحی دارای بار منفی سطح جذب شدند.
• اسیدهای آمینه منفی: به نقاط مثبت سطح متصل شدند.
• قندها: با پیوندهای هیدروژنی ضعیف‌تر اما پایدار متصل شدند.
• ریبونوکلئوتیدها: ابتدا به‌وسیله نیروهای الکترواستاتیکی جذب شدند و سپس پیوندهای شیمیایی مستقیم با اتم‌های آهن تشکیل دادند.

این تنوع در سازوکارهای اتصال، کلید درک عملکرد بلندمدت خاک‌ها به‌عنوان مخزن کربن است. این مطالعه نشان می‌دهد که جذب کربن در خاک صرفاً بر پایه جاذبه الکترواستاتیکی نیست، بلکه شامل پیوندهای شیمیایی واقعی میان اتم‌های آهن و مولکول‌های آلی است. این پیوندهای پایدار دلیل اصلی باقی ماندن کربن در لایه‌های خاک برای قرن‌ها است.

تاثیر بر مدل‌های اقلیمی و فناوری‌های آینده

آریستیلد تاکید می‌کند که مواد معدنی اکسید آهن در حفظ طولانی‌مدت کربن آلی در خاک و رسوبات نقش حیاتی دارند. درک چگونگی این تعامل‌ها، برای پیش‌بینی آینده اقلیم و طراحی راهکارهای مهار تغییرات اقلیمی حیاتی است.

تیم تحقیقاتی در مرحله بعدی قصد دارد بررسی کند که پس از اتصال، آیا این ترکیبات آلی به اشکال پایدارتر و مقاوم‌تر در برابر تجزیه تبدیل می‌شوند یا خیر. نتایج این پژوهش که در مجله معتبر Environmental Science & Technology منتشر خواهد شد، می‌تواند به ساخت مدل‌های اقلیمی دقیق‌تر برای پیش‌بینی چرخه کربن در زمین کمک کند.

این کشف، راه را برای توسعه فناوری‌های الهام‌گرفته از طبیعت برای جذب و ذخیره کربن در آینده باز خواهد کرد.