碳並不會消失在地面之下；它會被化學地捕獲。科學家們早已知道，富含鐵的土壤能靜靜地鎖住大量碳，讓這些碳保持在大氣之外數十年甚至數百年。然而，這些礦物質如何能如此緊密地抓住各種有機化合物仍然不甚明瞭。如今，西北大學的工程師們揭示了自然界中最有效的碳陷阱之一的分子層面奧秘。他們的研究顯示，鐵氫氧化物作為一種常見的土壤和沉積物中的鐵氧化物礦物，利用多種化學策略來抓取和穩定碳，這遠超過單純的靜電吸引。
這些發現幫助解釋了為何土壤能儲存約 2,500 億噸碳，成為地球上最大且最持久的碳匯之一，僅次於海洋。最初，鐵氫氧化物看起來相當簡單。在大多數環境條件下，這種礦物呈現整體正電荷，這使得科學家們假設它主要與帶負電的有機分子結合。然而，西北大學的團隊利用高解析度的分子建模和原子力顯微鏡發現了截然不同的現實。
鐵氫氧化物的表面並不是均勻帶電的。相反，它更像是一個正負電區域拼接而成的納米級拼布。西北大學的研究領導者 Ludmilla Aristilde 表示，鐵氫氧化物在相關環境條件下的整體電荷是正的。這使人們假設只有帶負電的化合物會與這些礦物結合，但我們知道這些礦物也能與帶正電的化合物結合。Aristilde 補充道，正是表面上分佈的正負電荷的總和，賦予了這種礦物整體的正電荷。
這種表面不均勻性解釋了為何鐵氫氧化物能吸引多種有機物質，包括理論上不應該附著在正電表面上的化合物。研究人員在繪製了礦物表面後，測試了現實世界中的有機分子如何與鐵氫氧化物相互作用。他們將鐵氫氧化物暴露於氨基酸、植物酸、糖和在土壤中常見的核糖核苷酸中。透過測量每種化合物與礦物的附著量並利用紅外光譜分析相互作用，團隊確定了幾種不同的結合機制。
正電荷的氨基酸附著在帶負電的表面區域，而帶負電的氨基酸則與正電區域結合。其他分子則遵循更複雜的路徑。核糖核苷酸首先受到靜電力的吸引，然後與鐵原子形成更強的化學鍵。而糖則是通過較弱的氫鍵附著。Aristilde 說，鐵氧化物礦物對控制土壤和海洋沉積中有機碳的長期保存至關重要。
有機碳在環境中的命運與全球碳循環緊密相關，包括有機物質轉化為溫室氣體。因此，了解礦物如何捕獲有機物質至關重要，但對於鐵氧化物如何通過不同的結合機制捕獲不同類型的有機物質的量化評估尚未出現。團隊相信，這些多樣的結合策略有助於解釋為何某些有機分子在土壤中保持保護，而其他分子則更容易被微生物分解。接下來，研究人員計劃研究有機化合物附著在礦物表面後的情況，包括它們是否轉變為更穩定的形式或變得更易於降解，相關的研究已發表在《環境科學與技術》期刊上。
