De bodems van de aarde bevatten meer dan drie keer zoveel koolstof als in de atmosfeer, maar de processen die koolstof in de bodem binden, zijn nog steeds niet goed begrepen.

Het verbeteren van een dergelijk begrip kan onderzoekers helpen bij het ontwikkelen van strategieën voor het vastleggen van meer koolstof in de bodem, waardoor het uit de atmosfeer wordt gehouden waar het zich vermengt met zuurstof en als broeikasgas fungeert.

Een nieuwe studie beschrijft een baanbrekende methode voor het in beeld brengen van de fysische en chemische interacties die koolstof vastleggen in de bodem op bijna atomaire schaal, met enkele verrassende resultaten.

De studie, "Organo-organische en organo-minerale interfaces in de bodem op nanometerschaal, " werd gepubliceerd op 30 november in Natuurcommunicatie .

Bij die resolutie de onderzoekers toonden voor het eerst aan dat koolstof in de bodem interageert met zowel mineralen als andere vormen van koolstof uit organische materialen, zoals bacteriële celwanden en microbiële bijproducten. Eerder beeldvormend onderzoek wees alleen op gelaagde interacties tussen koolstof en mineralen in de bodem.

"Als er een over het hoofd gezien mechanisme is dat ons kan helpen meer koolstof in de bodem vast te houden, dan komt dat ons klimaat ten goede, " zei senior auteur Johannes Lehmann, de Liberty Hyde Bailey Professor in de School of Integrative Plant Science, Sectie bodem- en gewaswetenschappen, in het College van Landbouw en Life Sciences. Angela Possinger Ph.D. '19, die een afgestudeerde student was in het laboratorium van Lehmann en momenteel een postdoctoraal onderzoeker is aan de Virginia Tech University, is de eerste auteur van de krant.

Aangezien de resolutie van de nieuwe techniek dichtbij atomaire schaal ligt, de onderzoekers weten niet zeker naar welke verbindingen ze kijken, maar ze vermoeden dat de koolstof die in de bodem wordt gevonden waarschijnlijk afkomstig is van metabolieten geproduceerd door bodemmicroben en van microbiële celwanden. "Naar alle waarschijnlijkheid, dit is een microbieel kerkhof, ' zei Lehmann.

"We hadden een onverwachte bevinding waarbij we raakvlakken konden zien tussen verschillende vormen van koolstof en niet alleen tussen koolstof en mineralen, "Zei Possinger. "We zouden naar die interfaces kunnen gaan kijken en proberen iets over die interacties te begrijpen."

De techniek onthulde lagen koolstof rond die organische interfaces. Het toonde ook aan dat stikstof een belangrijke speler was voor het vergemakkelijken van de chemische interacties tussen zowel organische als minerale interfaces, zei Possinger.

Als resultaat, boeren kunnen de bodemgezondheid verbeteren en de klimaatverandering matigen door koolstofvastlegging door rekening te houden met de vorm van stikstof in bodemveranderingen, ze zei.

Terwijl ze promoveerde, Possinger werkte jarenlang samen met natuurkundigen van Cornell, waaronder co-auteurs Lena Kourkoutis, universitair hoofddocent toegepaste en technische fysica, en David Müller, de Samuel B. Eckert hoogleraar Engineering in Applied and Engineering Physics, en de mededirecteur van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science - om de meerstapsmethode te helpen ontwikkelen.

De onderzoekers waren van plan om krachtige elektronenmicroscopen te gebruiken om elektronenstralen te focussen tot subatomaire schalen, maar ze ontdekten dat de elektronen losse en complexe grondmonsters wijzigen en beschadigen. Als resultaat, ze moesten de monsters invriezen tot ongeveer min 180 graden Celsius, waardoor de schadelijke effecten van de stralen werden verminderd.

"We moesten een techniek ontwikkelen die de gronddeeltjes in wezen bevroren houdt tijdens het proces van het maken van zeer dunne plakjes om naar deze kleine interfaces te kijken, ' zei Possinger.

De bundels kunnen vervolgens over het monster worden gescand om beelden te produceren van de structuur en chemie van een bodemmonster en zijn complexe interfaces, zei Koukoutis.

"Onze collega's op het gebied van natuurkunde lopen wereldwijd voorop om ons vermogen om zeer nauwkeurig naar materiaaleigenschappen te kijken, te verbeteren. "Zei Lehmann. "Zonder een dergelijke interdisciplinaire samenwerking, deze doorbraken zijn niet mogelijk.".

Met de nieuwe cryogene elektronenmicroscopie en spectroscopietechniek kunnen onderzoekers een hele reeks interfaces tussen zachte en harde materialen onderzoeken, inclusief degenen die een rol spelen in de functie van batterijen, brandstofcellen en elektrolysers, zei Koukoutis.