Jordens jordar innehåller mer än tre gånger mängden kol än vad som finns i atmosfären, men de processer som binder kol i jorden är fortfarande inte väl förstådda.

Att förbättra sådan förståelse kan hjälpa forskare att utveckla strategier för att binda mer kol i marken, därigenom håller den borta från atmosfären där den kombineras med syre och fungerar som en växthusgas.

En ny studie beskriver en banbrytande metod för att avbilda de fysiska och kemiska interaktionerna som binder kol i marken på nära atomär skala, med några överraskande resultat.

Studien, "Organo-organiska och organo-mineraliska gränssnitt i jord på nanometerskala, " publicerades 30 november in Naturkommunikation .

Vid den resolutionen, forskarna visade - för första gången - att markens kol interagerar med både mineraler och andra former av kol från organiska material, såsom bakteriecellsväggar och mikrobiella biprodukter. Tidigare avbildningsforskning hade bara pekat på skiktade interaktioner mellan kol och mineraler i jordar.

"Om det finns en förbisedd mekanism som kan hjälpa oss att behålla mer kol i marken, då kommer det att hjälpa vårt klimat, sa seniorförfattaren Johannes Lehmann, Liberty Hyde Bailey professor vid School of Integrative Plant Science, Sektionen för mark- och växtvetenskap, i College of Agriculture and Life Sciences. Angela Possinger Ph.D. '19, som var doktorand i Lehmanns labb och för närvarande är postdoktor vid Virginia Tech University, är tidningens första författare.

Eftersom upplösningen av den nya tekniken är nära atomär skala, forskarna är inte säkra på vilka föreningar de tittar på, men de misstänker att kolet som finns i jordar sannolikt kommer från metaboliter som produceras av jordmikrober och från mikrobiella cellväggar. "Med all sannolikhet, det här är en mikrobiell kyrkogård, sa Lehmann.

"Vi hade ett oväntat fynd där vi kunde se gränssnitt mellan olika former av kol och inte bara mellan kol och mineraler, ", sa Possinger. "Vi skulle kunna börja titta på dessa gränssnitt och försöka förstå något om dessa interaktioner."

Tekniken avslöjade lager av kol runt dessa organiska gränssnitt. Den visade också att kväve var en viktig aktör för att underlätta de kemiska interaktionerna mellan både organiska och mineraliska gränssnitt, sa Possinger.

Som ett resultat, bönder kan förbättra markens hälsa och mildra klimatförändringarna genom kolbindning genom att överväga formen av kväve i markändringar, Hon sa.

När hon fortsatte med sin doktorsexamen, Possinger arbetade i flera år med Cornell-fysiker – inklusive medförfattarna Lena Kourkoutis, docent i tillämpad och teknisk fysik, och David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik i tillämpad och teknisk fysik, och meddirektör för Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science - för att hjälpa till att utveckla flerstegsmetoden.

Forskarna planerade att använda kraftfulla elektronmikroskop för att fokusera elektronstrålar ner till subatomära skalor, men de fann att elektronerna modifierar och skadar lösa och komplexa jordprover. Som ett resultat, de var tvungna att frysa proverna till runt minus 180 grader Celsius, vilket minskade de skadliga effekterna från strålarna.

"Vi var tvungna att utveckla en teknik som i huvudsak håller jordpartiklarna frusna under hela processen att göra mycket tunna skivor för att titta på dessa små gränssnitt, sa Possinger.

Strålarna kunde sedan skannas över provet för att producera bilder av strukturen och kemin hos ett jordprov och dess komplexa gränssnitt, sa Kourkoutis.

"Våra fysikkollegor leder vägen globalt för att förbättra vår förmåga att titta mycket noga på materialegenskaper, ", sa Lehmann. "Utan ett sådant tvärvetenskapligt samarbete, dessa genombrott är inte möjliga."

Den nya kryogena elektronmikroskopi- och spektroskopitekniken kommer att tillåta forskare att undersöka en hel rad gränssnitt mellan mjuka och hårda material, inklusive de som spelar roller i batteriernas funktion, bränsleceller och elektrolysatorer, sa Kourkoutis.