열그라이드 환경에서 초기 지구 수열 굴뚝 시뮬레이션

요약

이 프로토콜의 목표는 화학 정원 주입 실험을 통해 시뮬레이션 된 수열 굴뚝을 형성하고 교육 목적으로 재현 할 수있는 3D 인쇄 가능한 콘덴서를 사용하여 무기 침전 막에 걸쳐 열 그라데이션을 도입하는 것입니다.

초록

심해 수열 통풍구는 지구화학적 분리증으로부터 생성된 자체 조직 침전지이며 생명의 출현을 위한 가능한 설정으로 제안되었습니다. 초기 지구 환기 시스템 내열 그라데이션 환경에서 수열 굴뚝의 성장은 용존철을 함유한 초기 지구 해양 시뮬레이션에 주입된 황화나트륨과 같은 다양한 수열 시뮬레이션을 사용하여 성공적으로 시뮬레이션되었습니다. 또한, 온수온도에서 상온으로 황화용액을 주입하면서 차가운 수조에 침지된 응축기 용기에서 0°C 가까이의 바다를 충분히 냉각시켜 몇 시간 동안 온도 그라데이션 환경에서 인공 굴뚝 구조를 효과적으로 생성하는 장치가 개발되었다. 다른 화학 및 가변 온도 그라데이션을 가진 이러한 실험은 굴뚝 구조에서 다양한 형태를 초래했다. 실온에서 바다와 수열 유체 시뮬레이션을 사용하면 수직 굴뚝이 발생했지만, 뜨거운 수열 유체와 차가운 해양 시뮬레이션제의 조합은 견고한 굴뚝 구조물의 형성을 억제했습니다. 이 연구를 위해 만들어진 사용자 정의 가능한 3D 인쇄 응축기는 다른 연구자가 쉽게 수정하고 사용할 수있는 재킷 반응 용기역할을합니다. 그것은 환기 및 해양 시뮬레이션제의 주입 속도와 화학 적 조성의 주의 깊은 제어를 허용합니다, 이는 정확하게 천연 시스템의 것과 유사한 열 그라데이션 굴뚝 시스템에서 프리바이오틱 반응을 시뮬레이션하는 데 도움이될 것이다.

서문

수열 굴뚝은 가열, 수열 변경 유체가 추운 바다로 스며들면서 심해 통풍구 환경 내에서 지구화학 적 분리에서 생성 된 화학 정원 침전물입니다. 초기 지구 시나리오에서는 고대 알칼리성 통풍구에서 형성된 굴뚝이 제안되었으며, 주변 pH/레독스/화학 적 그라데이션을 과다하여 신진대사^{1,2,3,4,5,6의}출현을 향한 반응을 유도할 수 있다고 제안되었습니다. 수열 통풍구는 또한 바다 세계, 유로파 와 엔셀라두스^7,8,9,10을포함한 다른 행성에 존재하는 가정되었습니다. CO₂^{11, 12,}그라데이션 구동 유기 합성^13,14,15,그리고 굴뚝^구조물에유기물을 통합할 수 있는 촉매철 황화광물의 침전을 포함한 제안된 프리바이오틱 수열 굴뚝 화학의 양상을 시뮬레이션하기 위한 다양한 실험이 수행되었다. 지구나 다른 세계등 수열 통풍구를 모방하기 위한 실험용 설정을 만들 때, 지구화학적 그라데이션과 시스템의 개방적이고 멀리 떨어진 평형 특성을 고려하여 현실적인 시뮬레이션을 생성하는 것이 필수적입니다.

pH, 레독스 및 화학 그라데이션 외에도 수열 통풍구는 가열된 통풍구액을 차가운 해저 환경으로 공급하여 굴뚝 막/벽에 열 그라데이션을 부과합니다. 차가운 해저 바다 온도 깊이, 태양 침투 및 청약의 기능으로 다를 수 있습니다. 벤트 사이트(주로 중해 능선)의 평균 해저 바다 깊이는 0-4°C^17범위에있습니다. 환기의 종류에 따라, 바다와 환기 유체 사이의 열 그라데이션은 환기 유체가 40-90 °C^20,21,심해 해저 검은 흡연자에 로스트 시티^18,19 또는 스트리탄 수열 필드와 같은 알칼리성 통풍구의 온화한 그라데이션에서 극적으로 다를 수 있습니다 22, 심해 바닥 검은 흡연자에 22 섭씨^{섭씨 섭씨 수백도에}도달 할 수^{있습니다. 23,24,25}. 수열 계통의 열 그라데이션 시뮬레이션은 굴뚝^침전3,13 및/또는 수열 굴뚝이 광물 표면^26에서직접 전자를 차지하는 미생물을 호스트함에 따라 거주성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 수열 시스템의 열 그라데이션 시뮬레이션이 중요합니다. 굴뚝 벽을 가로지르는 그라데이션에서 다양한 온도 조건이 짧은 거리에 존재할 것이며 굴뚝 벽은 이러한 모든 열 정권의 특징인 광물과 반응의 조합을 나타냅니다.

열 그라데이션의 실험실 에서 자란 수열 굴뚝은 이 잠재적인 프리바이오틱 환경에 대한 차가운 바다와 뜨거운 수열 유체의 영향을 탐구하기 위해 시뮬레이션되었습니다. 일반적으로 가열된 내부 및 냉간 외부가 있는 주입 방법을 통해 시뮬레이션된 수열 굴뚝을 재배하는 것이 실질적인 과제를 제시하기 때문에 가장 접근 가능한 굴뚝 실험은 주변 압력(따라서 비용이 많이 들고 복잡한 원자로를 요구하지 않음)으로 수행됩니다. 열 그라데이션에서 실험실에서 재배한 굴뚝을 이전 시도는 뜨거운/따뜻한 수열 유체와 차가운 바다를 모두 생성할 수 없었습니다. 일부 연구는 유기 반응을 구동 할 수있는 반응성 미네랄을 형성하기 위해 긴 기간 동안 고온에서 굴뚝 전체를 유지하기위한 노력의 일환으로, 일부 연구는 가열 재킷 이나 뜨거운 목욕^13,14중 하나를 사용하여 전체 실험 (바다 및 수열 유체)을 ~ 70 °C로 가열하였다. 또 다른 유형의 굴뚝 침전 형성 실험은 "연료 전지" 장치에서, 평평한 멤브레인 템플릿상 굴뚝 벽 시뮬레이션을 형성; 이러한 실험은 또한^{온수욕(27,28)에서}연료전지 그라데이션 장치를 침수함으로써 벌크로 가열되었다. 이전 연구는 열수열 유체에서 시뮬레이션 수열 굴뚝을 형성했다 (다양한 방법을 사용하여 ~ 70 °C로 가열) 실온 해양에 주입^3,12; 그러나 차가운 바다는 시도되지 않았습니다.

이 작업은 프리바이오틱 굴뚝 성장 실험실^{시뮬레이션(4)을} 위한 방법을 발전시켜 감기(0-5°C) 바다에서 굴뚝 물질을 합성하고 관심 있는 특성을 시험하는 가열된 수열 유체로 사실적인 열 그라데이션을 생성한다. 현재까지 알칼리성 통풍구에 대한 현실적인 온도 그라데이션으로 성공적으로 수행된 프리바이오틱 굴뚝 실험이 없었습니다: 내부 통풍구 용액은 ~70°C에서 유지되고 외부 해양 용액이 ~5°C로 냉각되었다. 더욱이, 수행된 몇몇 가열굴뚝 실험에서, 실험설치는 복잡하고 비용이 많이 들 수 있다. 화학 정원 실험은 초기 지구의 수열 통풍구에서 일어났을 수 있는 공정에 대한 통찰력을 얻을 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 따라서 굴뚝 실험의 여러 변형을 신속하게 설정할 수 있는 능력은 저렴하고, 깨지기 쉬지 않으며, 쉽게 수정하고, 학생들이 작업하기에 이상적인 간단한 장치를 가질 수 있는 능력이 유리하다. 여기에 제시된 새로운장치(도 1)는차가운 바다와 가열된 수열 유체 시뮬레이션 사이의 사실적인 열 그라데이션을 유지 및 모니터링하면서 시뮬레이션된 수열 굴뚝의 성장을 용이하게 하도록 설계된 새로운 장치(도 1)입니다. 이 실험 장치는 재킷 반응기와 설계와 유사하지만, 유사한 실험을 수행하는 데 관심이 있는 연구 집단에 의해 용이하게 생성될 수 있는 3차원(3D) 인쇄 형 응축기이다(보충 인쇄 파일참조). 이 3D 인쇄 응축기를 사용하여, 열 그라데이션 굴뚝 실험은 견고한 온도 그라데이션을 유지하고 굴뚝 구조 및 형태에 대한 온도 그라데이션의 효과를 테스트하기 위해이 장치의 유틸리티를 테스트하기 위해 수행되었다.

프로토콜

1. 안전 고려 사항

1. 니트릴 장갑, 얼굴 고글, 실험실 코트 및 적절한 신발 (피부 노출 없음)을 포함하여 개인 보호를 위해 실험실 보호 장비를 사용합니다.
   1. 주사기와 바늘을 사용하는 경우 장갑이나 피부에 구멍을 뚫지 않도록주의하십시오.
   2. 연기 후드의 전체 장치를 확인하여 누출을 확인하십시오.
   3. 혼합물에 화학 물질을 추가하기 전에 스탠드에 유리 바이알과 응축기의 안정성을 확인합니다.
2. 모든 열 그라데이션 실험을 연기로 작동하여 물 유출을 억제합니다.
3. 건강에 유해하기 때문에 모든 황화물 나트륨(Na₂S•9H₂O)을 연기에 사용하십시오.
   1. 연기 후드에 황화 나트륨을 보관하고 황화물 양을 계량하기 위해 연기 후드 내부에 균형을 배치합니다.
   2. 독성 H₂S 가스를 방출할 때 항상 황화물 함유 용액을 연기 후드 내부에 보관하고 황화물 액체, 날카로운 및 고체 폐기물 용기를 연기 후드에 보관하십시오.
   3. 황화물 용액 폐기물을 다른 알려진 화학 물질과 혼합하지 마십시오.
4. 반응성 Fe(II)Cl₂•4H₂O를 사용할 때, 공기에 노출되면 산화되는 N_2/Ar로일관되게 제거합니다. 연기 후드 내부의 헤드스페이스에_N2/Ar가스를 배치하여 연기 후드에 액액을 무산소를 유지하십시오. 파라필름으로 안전하게 이동하여 추가 산화를 방지합니다.

2. 사출 실험에 대한 설정

1. 작은 포트 구멍이 연기 후드의 바닥을 향하고 있도록, 연기 후드에 스탠드에 3D 인쇄 응축기 주입을 고정합니다. 콘덴서가 클램프 내에서 수평되어 있는지 확인합니다.
2. 유리 커터를 사용하여 100mL 투명 유리, 크림프 탑 세럼 병(20mm 크림프 씰 클로저 타입)의 바닥에서 1cm를 절단하여 유리 "사출 용기"를 만들고, 용기가 아래에서 위로 공기에 개방되어 있는지 확인합니다.
   1. 바이알을 하룻밤 사이에 1M HCl 산성 목욕에서 청소한 다음 이중 증류수(ddH₂O)로 헹구고 새로운 실험을 수행합니다.
   2. 금이 나거나 파손되지 않는 한 유리를 다시 사용한 다음 폐기하십시오.
3. 주사 유리병을 준비(도 1).
   1. 20mm 중격, 20mm 알루미늄 크림프 씰, 0.5-10 μL 플라스틱 파이펫 팁, 16 G 주사기 바늘 및 크림퍼 도구와 같은 재료를 수집합니다.
   2. 조심스럽게 고무 중격의 중심에 구멍을 뚫고, 제거하고 날카로운 폐기물 용기에 바늘을 폐기.
   3. 파이펫 팁을 바늘 구멍에 삽입하고 유리병의 크림프 상단 내부에 직면하게 될 고무 중격의 측면에 넣습니다. 파이펫 팁을 중격을 통해 밀어 서 다른 쪽에 약간 튀어 나오게 합니다.
      참고: 크림퍼 도구로 크림프 씰을 배치하기에 충분한 여유 공간을 제공하지 않기 때문에 끝까지 밀어붙이지 마십시오.
   4. 크림퍼를 크림프 씰에 놓습니다. 크림퍼를 짜내고 파이펫 끝으로 중격을 주입 용기에 밀봉하여 방수합니다. 제대로 밀봉 한 후, 유리 항아리를 통해 파이펫 팁을 밀어 유리에서 약 1.0"돌출되도록합니다.
   5. 파이펫 팁에 1/16"의 명확하고 유연한 화학 저항 튜브를 배치하여 파이펫 팁에 방수 씰을 얻습니다.
      참고: 주사기가 이 투명한 튜브를 통해 수열 유체를 해양 시뮬레이션제로 펌핑하기 때문에 튜브는 주사기 펌프 위에 있는 16 G 주사기위에 도달할 수 있을 만큼 길어야 합니다.
   6. 사출 바이알을 연기 후드에 3D 프린팅 응축기에 놓고, 하단의 응축기 포트 구멍을 통해 튜브를 스네킹합니다. 연축기의 작은 포트 구멍에서 바이알이 튀어나와 있는지 확인합니다.
      참고: 여러 개의 응축기를 사용하는 경우 여러 바이알을 한 번에 설정하고 별도의 주사기로 동시에 공급할 수 있습니다.
   7. ddH₂O로 채워진 10mL 주사기를 삽입하고 16 G 바늘을 오픈 튜빙의 다른 쪽 끝에 삽입하여 최종 누출을 확인하십시오. 튜브에 16 G 바늘을 조심스럽게 삽입하여 튜브에 구멍을 뚫지 않도록하십시오. ddH₂O를 천천히 주입하여 튜브를 위로 이동하고 반응 용기의 바닥으로 이동하여 주사기 /튜브, 튜브 / 팁 및 압착 씰이 모두 방수되도록합니다.
   8. 바이알의 컷오프 상단에 파라필름을 단단히 고정하고 작은 테이프를 파라필름 상단에 놓습니다. N 2/Ar가 펌핑될 때 O_2가 가스를 꺼낼 수 있도록 테이프를 통해 작은 구멍을 뚫습니다.
   9. N_2/Ar가스 라인을 설정하여 각각 컷오프 탑에서 주입 바이알 중 하나에 공급하여 바다 시뮬레이션이 쏟아지기 전에 유리 바이알 무산소를 만듭니다.
   10. N_2/Ar소스에서 가스 피드를 여러 튜브로 분할하여 각 주입 유리병에 대해 하나의 N_2/Ar피드가 있습니다(여러 실험을 수행하는 경우).
   11. 테이프를 뚫고 유리병의바다 용액 위로 마우스를 가져가주어 주사기(N2/Ar에 연결됨)를 배치합니다. 굴뚝 성장의 중단을 피하기 위해 바늘로 바다 용액을 관통하지 않도록주의하십시오.

3. 화학 정원 성장을위한 솔루션 준비

1. 바다 시뮬레이션 준비
   1. 각 실험에 대해 100mL의 솔루션을 준비합니다.
      참고: 이 예제에서는 특정 농도에 대해 표 1을 침전 양이온으로 사용합니다.
   2. Erlenmeyer 플라스크에서 100mL당 ~15분 동안 N_2/Ar가스로 ddH₂O의 100mL를 먼저 버블링하여 무산소 솔루션을 만듭니다.
   3. 무게를 내다보며 바다 화학 성분을 넣고 부드럽게 저어서 녹입니다(산소를 유발하지 않도록 힘차게 저어주세요).
   4. 시약을 용해한 후 수열 주사를 준비하는 동안 N₂/Ar 가스로 바다 시뮬레이션의 가벼운 버블링을 즉시 재개하십시오.
2. 수열 유체 시뮬레이션 제고(황화나트륨 제제)
   1. 표 1에표시된 사출 농도 중 하나를 선택하고 각 농도의 10mL를 준비한다. 10mL 주사기를 솔루션으로 채웁니다. 바늘 캡을 교체하고 따로 둡니다.
      참고: 항상 황화물 함유 솔루션과 주사기를 연기 후드에 보관하십시오.
   2. 연기 후드에서 황화나트륨(Na₂S•9H_2O)의필요한 양을 계량합니다(ddH_2O용액50mL).
      1. ddH₂O로 50mL 원심분리기 튜브를 채웁니다.
      2. Na₂S•9H₂O를 50mL 원심분리기 튜브에 놓고 연기 후드에 단단히 밀봉합니다.
      3. 모든 황화물 입자가 완전히 용해 될 때까지 연기 후드에 튜브를 완전히 흔들어.
      4. 10G 바늘 주입_N2/Ar가삽입된 파라필름을 사용하여 연기 후드에 용액 무산소를 유지하십시오.

4. 더미스트 설정

1. 연기 후드에 가깝게 측면 벤치에 안정된 자세로 테미터를 배치합니다. RS232 어댑터 케이블의 USB 면을 컴퓨터 USB 포트에 삽입합니다.
2. 테미저의 힘을 켭니다. 케이블 저항기 설정에 대한 지침은 보충 부록 2에서 테미저 절차를 참조하십시오.
3. 컴퓨터에서 테미저 소프트웨어를 켭니다.
   1. 아래로 스크롤하여 통신 포트로스크롤합니다. 처음 몇 개의 통신 포트를 선택하고 주전서가 소프트웨어에 연결될 때까지 각 포트의 왼쪽에 있는 연결 단추를 클릭합니다.
      참고: 소프트웨어에 읽기 구성 막대가 녹색으로 표시됩니다. 샘플링 아이콘은 계속 깜박이며, 현재 온도를 자주 샘플링하는 것을 보여 주어 자주 깜박입니다. 이러한 신호가 관찰되지 않으면 다른 통신 포트를 선택합니다. 통신 포트가 작동하지 않으면 통신 오류를 명시하거나 통신할 수 없는팝업 메시지가 표시됩니다.
   2. 통신 오류가 발생하면 프로그램을 닫고 다시 시작하십시오. 리본 케이블을 다시 확인하고 RS232 케이블 핀아웃의 핀에 제대로 연결되어 있는지 확인합니다.
4. 연결되면 출력이 빨간색 막대에서 100% 읽습니다.
5. 테미터가 빈번한 간격 측정을 깜박이면 간격 시간을 60으로 변경합니다. 컨트롤러 옵션 상자에서 아래쪽으로 1을 지우고 60으로 변경합니다. 확인 버튼을 클릭합니다.
6. 회사 로고 에 자동 스케일레이블이있는 타원형 버튼이 있습니다. 자동 축척을 켜려면 해당 단추를 클릭합니다. 온도 판독을 표시하는 노란색 선을 확인합니다.
7. 플롯 영역 내에서 마우스 오른쪽 단추를 클릭하여 x 및 y 축 크기를 조정하는 등 원하는 대로 플롯을 조정합니다.
8. 플롯 영역을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 새 읽기가 5000 초 또는 83.33 분마다 시작되기 전에 Excel로 내보내기를 클릭합니다(선택한 기록 간격에 따라 다름). 프로그램에서 자동으로 생성된 스프레드시트의 온도 및 시간 데이터를 저장합니다.
9. 금속 테러미저 프로브를 응축기 내유리 해양 용기에 넣습니다. 유리 바이알 한가운데에 매달려 있는 테미저 프로브가 굴뚝 성장을 방해하기 때문에 프로브가 유리 의 측면으로 설정되어 있는지 확인하십시오. 파라필름으로 다시 덮습니다.

5. 얼음 목욕을 설정

1. 더 큰 플라스틱 팬과 중간 크기의 양동이를 잡아. 양동이를 물까지 반쯤 채웁니다.
2. 양동이를 팬 안에 놓고 얼음을 거의 가득 차때까지 물 안에 놓습니다.
3. 두 개의 플라스틱 컷오프 호스를 워터 펌프의 양쪽 끝에 놓습니다(추가부록 3, 그림 1). 수직 펌프 개구부는 물을 부어 프라이밍을 시작하는 곳이며, 수평 개구부는 물이 배출되는 곳입니다. 펌프를 전원 소켓에 연결하지만 연결된 경우 펌프에 전원을 공급하므로 전기 커넥터를 열어 둡니다.
4. 수평 플라스틱 호스(보충부록 3, 그림 2)를오른쪽을 향한 높은 응축기 포트에 연결하여 호스가 얼음 양동이에 도달할 만큼 충분히 길도록 합니다.
5. 왼쪽(하부) 콘덴서 포트에 또 다른 컷오프 플라스틱 호스를 배치하여 이 호스도 얼음 수조에 도달할 수 있을 만큼 길도록 합니다. 이 호스를 응축기에서 물이 배출되는 얼음 물 양동이 위에 놓습니다.
6. 펌프의 수직 개구부와 연결된 호스를 통해 차가운 물을 붓습니다. 펌프가 물로 가득 차면 콘덴서 포트까지 도달하고 호스를 얼음 수조에 담그고 즉시 전기 커넥터를 연결합니다.
   참고: 두 사람이 필요할 수 있습니다.
7. 펌프를 프라이머를 사용하여 응축기를 통해 물을 흐르기 시작하고, 양동이를 얼음으로 채우고, 온도계를 양동이에 배치하여 온도를 확인합니다.
   참고: 수온은 ~0°C에 도달해야 합니다. 보충 부록 1 그림 2에서 제어 테스트를 참조하십시오.
8. 따뜻한 물의 일부를 제거하는 동안, 차가운 온도에서 물을 유지하기 위해 더 많은 얼음을 추가 유지합니다.

6. 주입 준비

1. 수열 유체 주사 주사기 옆에 ddH₂O 주사기(섹션 2.3)를 아래로 가져옵니다. ddH₂O 주사기 바늘에서 플라스틱 사출 튜브를 조심스럽게 밀어 내고 즉시 1 차 주사 주사기 바늘 중 하나에 직접 전달합니다.
   참고 : 튜브의 벽을 뚫지 마십시오.
2. 히터 패드를 연결하여 수열 시뮬레이션을 70-80°C로 가열합니다.  (경고: 온도가 높을수록 플라스틱 주사기를 뒤틀거나 손상시킬 수 있습니다.)
3. 용화물 주사기 주위에 패드를 감싸고 패드 주변의 두 개의 금속 클램프에 단단히 나사(보충 부록 3, 그림 3).
4. 클램프가 제자리에 고정되면 주사기 펌프에 고정하고 펌프를 단단히 고정하십시오 (선택한 주사기 펌프에 따라 다름).
5. 최대 화살표 키(보충부록 3,도 5)를눌러 컨트롤 박스의 온도를 ~70°C로 설정합니다. 세트/시작을누릅니다. 
6. 가열 된 주사기 (들)가 주사기 펌프에 제자리에 고정되면 주사기 펌프를 1-2 mL / h에 주입하십시오.
7. 해양 솔루션이 완전히 용해되어 있는지 확인합니다. 흐린 경우 대부분 녹을 때까지 저어줍니다.
8. 바다 시뮬레이션을 pH 5.5로 적시하여 하데안 해양 산도^30,31을시뮬레이션합니다. 10M HCl을 사용하고 pH 미터가 안정적인 5.5를 읽을 때까지 천천히 (N₂/ Ar 피드 아래)를 추가하십시오. 5.5를 초과하는 경우 NaOH를 사용하여 동일한 느린 액적 방법을 사용하여 pH를 더 기본적인 수준으로 되돌립니다.
9. 조립식 굴뚝 선박에 하나 또는 두 개의 해양 솔루션을 붓습니다. 응축기 내의 유리 바이알에 하나의 해양 용액을 붓고 다른 하나는 응축기없이 실온 용기에 넣습니다 (두 가지 실험을 수행하는 경우)(그림 6).
   참고: 온도 프로브를 이동하지 마십시오.
10. 파라필름으로 유리 바이알의 상단을 밀봉합니다. _N2/Ar피드를 바다 시뮬레이션제의 헤드스페이스 상단으로 교체하여 바늘을 해양 시뮬레이션제로 도입하지 않도록 주의하십시오.
11. 주사기 펌프를 1-2 mL/h(주사기 펌프의 종류에 따라 사용되는 주사기의 크기에 대해 보정)를 삽입하도록 프로그래밍하지만 시작을누르지 않는다.
12. 튜브의 길이를 통해 열 손실이 발생하지 않도록하기 위해 뜨거운 유체를 신속하게 주입하여 바다 저수지와 즉시 접촉하십시오. 그런 다음 1-2 ml/h에서 차가운 바다로 주입을 실행하십시오. (보충 부록 1에서주사기에 대한 열 테스트를 참조하십시오). 물방울을 잡기 위해 폐기물 비커를 사용합니다.
13. 주사를 시작하고, 더미저에 바다 온도를 기록하기 시작합니다.

7. 온도 및 실험 모니터링

참고: 응축기를 통해 물이 순환되면, 테미저 온도 프로브는 바다 내의 온도가 떨어지기 시작합니다. 목표는 온도가 0 °C 에 가까워지는 것입니다. 정확한 온도(열) 그라데이션 설정은 표 2를 참조하십시오.

1. 플롯 영역을 마우스 오른쪽 단추로 클릭하여 모든 온도 데이터를 저장하고 로 저장합니다. CSV 파일입니다.
   참고: 이 프로그램은 최대 5,000치상당의 온도 데이터를 기록한 다음 다시 시작합니다.
2. 굴뚝이 대부분 개발될 때까지 또는 적어도 주사기가 거의 비어 있기 전까지 는 거의 동결 된 온도를 유지하기 위해 양동이에 얼음을 계속 넣습니다.
3. 실내 온도 굴뚝도 모니터링합니다. 굴뚝 의 성장을 통해 자주 사진을 찍어 두 굴뚝.
4. 굴뚝이 완료되면 굴뚝 옆에 작은 눈자를 놓고 이미지를 가져 와서 저장합니다.
   참고: 전체 프로세스는 ~ 6h동안 실행되어야 합니다.

8. 실험 종료

1. 주사기 펌프를 중지한 다음 저미터의 온도 기록을 멈추고 스프레드시트에 데이터를 저장합니다.
2. N_2/Ar흐름을 끄고 사출 용기에서 선과 파라막을 제거합니다.
3. 필요한 경우 추가 분석을 위해 해양 용액을 샘플링하거나 침전시합니다. 침전을 방해하지 않고 조심스럽게 저수지 용액을 제거하려면 25mL 파이펫을 사용하여 저수지 용액의 여러 알리쿼트에서 조심스럽게 피펫을 제거하고 폐기물 비커에 용액을 폐기하십시오.
4. 응축기 내의 유리병을 조심스럽게 폐기물 비커로 배출합니다. 주사기에서 튜브를 제거하고 바다 용액이 연기 후드의 비커에 빠져 나오게하십시오. 응축기가 없는 바이알에서도 동일한 작업을 수행합니다.
5. 용기를 한 번에 하나씩 클램프에서 제거하고 ddH₂O를 사용하여 침전물의 조각을 폐기물 비커로 헹구는 다.
6. 주사기 펌프에서 튜브와 주사기를 제거합니다. 주사기와 여분의 사출액을 폐기물 이송 비커에 비우고 연기 후드에 보관된 황화물 날카로운 용기에 주사기를 폐기합니다.
7. 실험 유리병에서 튜브를 제거하고 고체 폐기물 가방에 폐기하십시오. 씰을 풀고 중격, 씰 및 파이펫 팁을 폐기합니다.
8. 유리 실험 바이알을 헹구고 1M HCl 산성 욕조에서 하룻밤을 담가 둡니다.
   참고: 황화물 나트륨과 접촉한 유리제품은 산에 넣으면 독성 H₂S 가스를 방출합니다. 따라서 연기 후드 내부에 모든 산성 목욕을 유지하십시오.

결과

이전 연구에서와 같이^1,2,13,29; 수열 유체 시뮬레이션이 해양 바이알에 도달하면, 미네랄 침전 구조는 주입 기간 동안 두껍고 키가 커지기 시작했습니다. 철 황화물 굴뚝은 매우 견고하지 않은 섬세한 구조였으며 바다 유리병이나 주입이 물리적으로 방해를 받으면 쉽게 분해되었습니다. 이는 이전 연구^3의결과와 일치합니다. 황화물 용액의 화학 적 농도는 또한 황화물 굴뚝의 형태에 중요한 역할을했다. 그림 5에도시된 바와 같이 더 크고 튼튼한 미네랄 침전을 허용한 황화물의 농축 된 용액은 약한 굴뚝 구조를 생산하는 반면, 황화물 용액의 낮은 농도를 생산했습니다. 어떤 경우에는 구조물이 형성되지 않았으며, 액체 황화물 광물 "수프"만 만들어졌으며 결국 퇴적물(그림 3D)으로정착할 수 있었습니다. 이는 열 및 비열 그라데이션 조건에서 모두 발생했습니다.

철 황화물을 가진 열 그라데이션 굴뚝 실험에서, 고체 굴뚝 구조는 일반적으로 실온에서했던 것처럼 뿐만 아니라 결합하지 않았다. 도 3E-H는 차가운 바다와 실온 수열 유체 사이에서 자란 철 황화물 굴뚝의 형태를 보여줍니다. 온도 그라데이션의 굴뚝은 본질적으로 끈과 같고 끈질긴 반면, 비열 그라데이션 결과(그림3A-D)는더 많은 반영구적 구조를 보여줍니다. 수열 유체가 가열되었을 때도 마찬가지였습니다(그림4). 예외는 더 높은 황화물 및 철 농도(그림 5)에서실온 수열 용액과 차가운 바다 시뮬레이션 사이에 고체 철 황화물 굴뚝이 형성되었습니다.

철 수산화 굴뚝의 성장에 열 그라데이션의 효과도 테스트되었다. 그 결과는 철황화 굴뚝과 유사한 패턴을 보였다: 실온 철 수산화 실험결과 더 견고한 굴뚝 침전을 초래하는 동안, 따뜻한 수열 유체와 차가운 바다 사이의 열 그라데이션 실험은 수직으로 결합하지 않은 굴뚝 물질의 작은 마운드를 초래하였다(그림6). 전작(실온^{실험)에서}관찰된 철 수산화 굴뚝의 높은 직립 구조와는 대조적으로, 우리의 열 그라데이션 실험은 다른 형태를 보였다.

그림 1: 열 그라데이션 굴뚝 장치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 

그림 2: 3D 프린팅 응축기. (A)응축기 치수를 나타내는 3D 인쇄 응축기의 회로도. (B)연축기 내부에 유리 바다 선박의 배치를 배치하여 바다 시뮬레이션을 냉각시합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 실온 수열 유체(HTF)에서 실온 해양 시뮬레이션에 이르는다양한 열 및 비열 그라데이션 굴뚝.(A-D)비열 그라데이션 제어 실험. (A)10mM Na₂S•9H₂O HTF 및 20mM FeCl₂·4H₂O 해양 동시제. (B)20 mM Na₂S•9H₂O HTF 및 10 mM FeCl₂·4H₂O 해양 동시성. (C)20 mM Na₂S•9H₂O HTF 및 20mM FeCl₂·4H₂O 해양 동시계. (D)20mM Na₂S•9H₂O HTF 및 20mM FeCl₂·4H₂O 해양 동시성. (E-H) 열 그라데이션 굴뚝은 실온 HTF 시뮬레이션에서 차가운 바다 저수지 (~5-10 °C)까지 실험합니다. (E)20 mM Na₂S•9H₂O HTF 및 10 mM FeCl₂·4H₂O 해양 동시성. (F)10mM Na₂S•9H₂O HTF 및 20mM FeCl₂·4H₂O 해양 동시성. (G) 20 mM Na₂S•9H₂O HTF 및 10 mM FeCl₂·4H₂O 해양 동시성. (H)10mM Na₂S•9H₂O HTF 및 20mM FeCl₂·4H₂O 해양 동시제. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 열 그라데이션 실험. 따뜻한 (~35-40°C) 20mM Na₂S•9H₂O 용액으로 수행된 실험은 감기(~5-10°C) 20mM FeCl₂·4H₂O 해양 시뮬레이션을 주입하여 작은 굴뚝 가닥을 생성하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 굴뚝에 바다 시뮬레이션의 농도의 효과. 더 높은 농도 (~50 mM Na₂S•9H₂O, 10 mM FeCl₂·4H₂O, 200 mM NaCl) 무산소 해양 동시계는 보다 구조적으로 견고하고 키가 큰 굴뚝을 생산하였다. 실온 황화용액은 2-10°C 해양 시뮬레이션제로 주입하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 열 및 비열 그라데이션 굴뚝의 동시 성장. (A)100 mM FeCl₂·4H₂O + 100 mM FeCl₃·6H₂O 해양 용액은 실온에서 200m NaOH 수열 유체(HTF) 유체 시뮬레이션을 한다. (B)~35~50°C의 따뜻한 HTF와 동일한 농도의 열그라데이션 실험을 ~5-10°C에서 차가운 바다로 시뮬레이션해 주세요.

수열 유체 화학 (주입)	해양 화학 (저수지)
50 mM Na2S	10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl 또는 NaHCO3
20 mM Na2S	10 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl 또는 NaHCO3
10 mM Na2S	20 mM FeCl2·4H2O + 200 mM NaCl 또는 NaHCO3
200 mM NaOH	100 mM FeCl2·4H2O + 100 mM FeCl3·6H2O

표 1:보스 시뮬레이션 해양 및 수열 유체 주입 용 농도 매트릭스.

HTF °C	해양 동시온도 °C
~23	~23	5-10
~35-50	~23	5-10

표 2: 열 그라데이션 실험 매트릭스. 수열 유체(HTF) 온도는 주사기 내의 유체의 온도를 지칭한다. 바다 바이알에 입구에서 실제 온도는 주사기 내의 온도보다 20 ~ 35도 낮았다 (~70°C) (보충 부록 1, 도 3,및 도 4참조).

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토론

모의 굴뚝 성장에 열 그라데이션의 효과: 이 실험 장치는 여러 실험 매개 변수로 인한 굴뚝 형태학의 여러 변형을 산출했습니다. 철 황화물과 철 수산화의 굴뚝은 실온에서 키가 큰 수직 구조를 형성하지만 열 그라데이션 실험에서 더 끈질기고 끈적끈적한 침전 또는 평평한 고분으로 형성되었습니다. 이는 70-80°C로 가열된 수열 유체에서 형성되어 실온 해양^{시뮬레이션제(33)에}주입된 허시 외의 연구 결과와 일치하였다. 이것에 대한 다양한 가능한 설명이 있습니다 : 대류 열 전달은 더 많은 자연 부력 (주입의 강제 펌핑과 함께)을 유발하여 침전물이 형성됨에 따라 바다 선박의 상단을 향해 빠르게 흐를 수 있습니다. 대안적으로, 주사기 유체를 가열하면 수열 시뮬레이션이 밀도가 낮아서 주입 점 위에 안정화하는 것보다 수직으로 상승하는 경향이 있습니다. 보다 안정적인 구조의 성장을 허용하기 위해 주사기 주입 속도를 느린 속도로 변경하여 이러한 효과가 완화될 수 있습니다. 백색 등은 매우 느린 속도(0.08mL/h)로 주입된 수열 시뮬레이션제로 철 황화물 굴뚝 성장을 조사했으며, 굴뚝은 유착하는 데 며칠이 걸렸지만 구조적으로 안정적^13이었다. Herschy 등은 열 그라데이션 실험에 사용되는 속도보다 여러 배 빠른 크기의 10-120 mL/h의 사출 속도로 연동 펌프를 사용했기 때문에 문자열형 굴뚝^{구조(33)를}생산한 것은 놀라운 일이 아니다.

바다 및 환기 솔루션의 침전 반응물질의 농도가 높을수록 열 그라데이션에서 더 견고한 굴뚝을 얻을 수 있습니다. 수열 유체 또는 해양 동시제에서 침전 이온(황화 또는 수산화)의 높은 화학 농도는 전체침전질량을 높을 수록 더 강한 구조를 생성할 수 있다. 허시 외와 백색 등은 수열 유체(10mMM)에서 황화의 낮은 농도를 사용했기 때문에, 이들의 구조는 더 높은(20-50 mMMM) 황화물 농도를 사용하여 이 작품에서 생산된 것보다 작아졌다. 또한, 황화 굴뚝 철의 일부 연구에는 황화물 나트륨과 함께 수열 유체에 실리카가 포함되어 있어 더 강력한 굴뚝^3,13,33을생성할 수 있다. 실리카 화학 정원 구조는 또한 수열 굴뚝 성장^(34)의측면을 시뮬레이션하는 데 사용되어 왔으며, 이들은 물리적 분석을 위해 튜브 / 유리병에서 제거 할 수있는 매우 견고한 구조를 생산하는 경향이 있다. 그러나, 실리카 주입 구조에 온도 그라데이션의 효과 알려져 있지 않으며 추가 연구의 영역이 될 것입니다.

향후 굴뚝 시뮬레이션 실험에 대한 고려 사항: 해양 선박을 냉각시키기 위해 이 연구에서 만든 3D 인쇄 응축기는 재킷 반응 용기처럼 작용했지만 몇 가지 실질적인 개선 사항 : 1) 오픈 탑은 굴뚝의 샘플링과 무산소 해양 헤드 스페이스를 유지하도록 허용했습니다. 2) 3D 인쇄 부품은 쉽게 재현할 수 있습니다. 3) 설계를 디지털방식으로 편집할 수 있기 때문에 원하는 경우 장치를 신속하게 수정하고 다시 인쇄할 수 있습니다. 및 4) 저렴한 재료의 사용은 실제 유리 자켓 반응 용기보다 각 응축기보다 비용 효율적했다. 이 3D 인쇄 응축기는 다양한 연구 그룹에서 시뮬레이션된 수열 굴뚝 실험을 위한 플랫폼을 표준화하는 데 유용한 방법이 될 수 있는 유연하고 쉽게 공유되는 실험 장치로 샘플과 데이터를 더 잘 비교할 수 있습니다. 응축기의 파일은 교육적 또는 과학적 목적을 위해 동료에게 직접 인쇄할 수 있습니다(이 작업에 사용되는 응축기의 보충 3D 인쇄 파일 참조). 이 저렴한 설정은 또한 화학 정원 또는 chemobrionics에 대한 학부 실험실 실험으로 사용될 수있다^29,35.

결론적으로, 이 작품은 온도 그라데이션 환경에서 시뮬레이션 수열 굴뚝의 성장을 용이하게하기 위해 3D 프린팅을 사용하는 새로운 실험 장치를 설명합니다. 3D 프린팅 응축기는 해저 수열 시스템 근처의 해수와 유사한 거의 동결 온도로 바다를 냉각할 수 있습니다. 한편, 가열 된 주사기는이 차가운 바다에 주입 하는 고온 수열 유체를 시뮬레이션 하는 데 사용 되었다. 철황화와 철수산화 굴뚝의 형태와 구조는 열그라데이션의 영향을 받았다: 바다와 수열 유체 시뮬레이션제가 실온에 있을 때 굴뚝은 수직 지향 구조를 형성했지만, 수열 유체가 가열되고 바다가 냉각되었을 때, 견고한 굴뚝 구조물의 형성이 억제되었다. 천연 시스템과 유사한 열 그라데이션을 가진 굴뚝 시스템에서 사전 생체 반응을 정확하게 시뮬레이션하려면 환기 및 해양 시뮬레이션제의 분사 율 및 화학 조성과 같은 매개 변수를 신중하게 제어해야합니다. 이 연구를 위해 만들어진 사용자 정의및 저렴한 3D 인쇄 응축기는 재킷 반응 용기와 기능과 유사하며 다양한 유형의 chemobrionic 실험에 사용하기 위해 다양한 연구 및 교육 그룹에 전자적으로 쉽게 수정 및 배포 할 수 있습니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
3/8-Inch Clear Vinyl Tubing	Watts	SVIG10	Cut to desired length for experiment
40-pin Male to Female Wire Jumper Multicolored Ribbon Cables	EDGELEC	ED-DP_L30_Mix_120pcs	These wires will require stripping of plastic ends and carefully removing one of the 2 plastic casings
Aluminum seals	Fisher	0337523C	Thermo Scientific National Headspace 20 mm Crimp Seals
Ferric chloride hexahydrate	Fisher	I88-100	Ferric Chloride Hexahydrate (Lumps/Certified ACS)
Ferrous chloride tetrahydrate	Fisher	I90500	Ferrous Chloride Tetrahydrate (Crystalline/Certified)
Gear Hose Clamps	Glarks	40Pcs
Gray butyl stoppers	Fisher	0337522AA	Thermo Scientific National 20 mm Septa for Headspace Vials
Pipette tips	VWR	53511-682	pipette tips 0.5-10 microliters
Serum bottles	Sigma-Aldrich	33110-U	Vials, crimp top, serum bottle, size 100 mL, clear glass, outer diameter x height 51.7 mm x 94.5 mm. For these experiments, the bottom of the serum bottle should be cut off.
Sodium hydroxide	Sigma-Aldrich	S5881	reagent grade, ≥98%, pellets (anhydrous)
Sodium sulfide nonahydrate	Fisher	S425212	Sodium Sulfide Nonahydrate (Crystalline/Certified ACS).  Store at -20 °C. Only open in a glove box or fume hood. Releases toxic H2S gas; all sulfide-containing solutions must be kept in a glove box or fume hood.
syringe heater	Syringepump.com	HEATER-KIT-5SP	Clamp gear hose clamps around heating blanket
Syringe needles (16 gauge)	Fisher	14-826-18B	BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 16 G x 1.5 in. (38 mm)
Syringe Pump	Syringepump.com	NE-4000	Dual or multiple channel, depending on desired number of simultaneous experiments
Syringes (10 mL)	Fisher	14-823-16E	BD Syringe with Luer-Lok Tips (Without Needle)
Tubing	Cole Parmer	EW-06407-71	Tygon Lab Tubing, Non-DEHP, 1/16" internal diameter X 1/8" outer diameter
Water Circulation Pump	Bayite	BYT-7A015	May need two people to help prime pump