Les sols de la Terre contiennent plus de trois fois la quantité de carbone que l'on trouve dans l'atmosphère, mais les processus qui lient le carbone dans le sol ne sont toujours pas bien compris.

L'amélioration de cette compréhension peut aider les chercheurs à développer des stratégies pour séquestrer plus de carbone dans le sol, le gardant ainsi hors de l'atmosphère où il se combine avec l'oxygène et agit comme un gaz à effet de serre.

Une nouvelle étude décrit une méthode révolutionnaire pour l'imagerie des interactions physiques et chimiques qui séquestrent le carbone dans le sol à des échelles proches de l'atome, avec des résultats surprenants.

L'étude, "Interfaces organo-organiques et organo-minérales dans le sol à l'échelle nanométrique, " a été publié le 30 novembre dans Communication Nature .

A cette résolution, les chercheurs ont montré pour la première fois que le carbone du sol interagit à la fois avec les minéraux et d'autres formes de carbone provenant des matières organiques, tels que les parois cellulaires bactériennes et les sous-produits microbiens. Les recherches d'imagerie précédentes n'avaient mis en évidence que des interactions en couches entre le carbone et les minéraux dans les sols.

« S'il existe un mécanisme négligé qui peut nous aider à retenir plus de carbone dans les sols, alors cela aidera notre climat, " a déclaré l'auteur principal Johannes Lehmann, le professeur Liberty Hyde Bailey à la School of Integrative Plant Science, Section des sciences du sol et des cultures, au Collège des sciences de l'agriculture et de la vie. Angela Possinger Ph.D. '19, qui était un étudiant diplômé du laboratoire de Lehmann et est actuellement chercheur postdoctoral à Virginia Tech University, est le premier auteur de l'article.

Étant donné que la résolution de la nouvelle technique est proche de l'échelle atomique, les chercheurs ne sont pas certains des composés qu'ils étudient, mais ils soupçonnent que le carbone trouvé dans les sols provient probablement des métabolites produits par les microbes du sol et des parois cellulaires microbiennes. "Vraisemblablement, c'est un cimetière microbien, " a déclaré Lehmann.

"Nous avons eu une découverte inattendue où nous pouvions voir des interfaces entre différentes formes de carbone et pas seulement entre le carbone et les minéraux, " a déclaré Possinger. "Nous pourrions commencer à regarder ces interfaces et essayer de comprendre quelque chose à propos de ces interactions."

La technique a révélé des couches de carbone autour de ces interfaces organiques. Il a également montré que l'azote était un acteur important pour faciliter les interactions chimiques entre les interfaces organiques et minérales, dit Possinger.

Par conséquent, les agriculteurs peuvent améliorer la santé des sols et atténuer le changement climatique grâce à la séquestration du carbone en tenant compte de la forme d'azote dans les amendements du sol, elle a dit.

Tout en poursuivant son doctorat, Possinger a travaillé pendant des années avec les physiciens de Cornell, y compris les co-auteurs Lena Kourkoutis, professeur agrégé de physique appliquée et d'ingénierie, et David Muller, le professeur Samuel B. Eckert d'ingénierie en physique appliquée et de l'ingénierie, et le codirecteur de l'Institut Kavli à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique, pour aider à développer la méthode en plusieurs étapes.

Les chercheurs prévoyaient d'utiliser de puissants microscopes électroniques pour focaliser les faisceaux d'électrons jusqu'à des échelles subatomiques, mais ils ont découvert que les électrons modifient et endommagent des échantillons de sol meubles et complexes. Par conséquent, ils ont dû congeler les échantillons à environ moins 180 degrés Celsius, ce qui a réduit les effets nocifs des faisceaux.

"Nous avons dû développer une technique qui maintient essentiellement les particules de sol congelées tout au long du processus de fabrication de tranches très fines pour examiner ces minuscules interfaces, " a déclaré Possinger.

Les faisceaux pourraient ensuite être balayés à travers l'échantillon pour produire des images de la structure et de la chimie d'un échantillon de sol et de ses interfaces complexes, dit Kourkoutis.

"Nos collègues physiciens ouvrent la voie à l'échelle mondiale pour améliorer notre capacité à examiner de très près les propriétés des matériaux, " a déclaré Lehmann. " Sans une telle collaboration interdisciplinaire, ces percées ne sont pas possibles".

La nouvelle technique de microscopie et spectroscopie électronique cryogénique permettra aux chercheurs de sonder toute une gamme d'interfaces entre matériaux mous et durs, y compris ceux qui jouent des rôles dans la fonction des batteries, piles à combustible et électrolyseurs, dit Kourkoutis.