当我们仰望天空，思考我们这个时代最大的问题之一——如何与导致气候变化的碳排放作斗争——一个潜在的答案可能就在我们脚下，在地球的地下深处。

太平洋西北国家实验室(PNNL)的科学家们开发了一种将二氧化碳(CO2)转化为固体岩石的方法。它模仿地球的自然过程，但速度要快得多——从几千年到仅仅几个月。但是，将二氧化碳储存在固体矿物中，这一过程被称为碳矿化，规模大到足以产生影响，不仅仅是发现而已。

PNNL首席化学家Todd Schaef是玄武岩碳矿化的先驱，他说:“我们需要方法来测量、验证和传达我们放入地下的二氧化碳是矿化的，不会逸出。”

Schaef团队的实习生Madeline Bartels帮助完成了这一任务。她的研究发表在《分析化学》(Analytical Chemistry)杂志上，对碳矿物分子进行了前所未有的计算——低于百万分之100。

巴特尔斯说:“我们实际上可以看到我们在岩石中锁住了多少碳。“想象一下，把一张扑克牌放在足球场上。这相当于百万分之一的比例，但我们测量的是一小块粉末状岩石样本中碳矿物的含量。”

在此之前，他们好像是站在露天看台的最上面一排看着球场上的扑克牌。现在，他们就在球场上，可以近距离观看。

美国每年排放的二氧化碳超过63亿吨。2013年，研究人员在瓦卢拉玄武岩试点示范点使用PNNL碳储存技术，将977公吨液态二氧化碳注入地下，22个月后重新访问，发现它已经转化为固体矿物。

我们怎么知道一氧化碳呢₂已经形成岩石了吗?

虽然碳矿化可以锁住大量的二氧化碳，但在美国还没有一个商业规模的项目。向地下注入二氧化碳需要特别许可，但目前还没有获得许可，因为工业要求仍在开发和测试中。

“能源部、社区、利益相关者、行业和国家实验室正在共同努力，确保我们拥有最好的工具，通过玄武岩和其他活性岩石的矿化来实现可持续、安全、可靠的二氧化碳储存，”该论文的合著者、巴特尔斯的导师奎恩·米勒说。

如果采用热重质谱分析(TGA-MS)技术作为标准，有一天私营公司可能会使用它来测量和验证被锁住的二氧化碳的数量。

巴特尔斯说:“当我还是个本科生的时候，我所从事的研究可能会对这个新兴领域做出重大贡献，这真的很酷。”在耶鲁大学获得学士学位期间，巴特尔斯参加了能源部、教师和科学家科学劳动力发展办公室SULI的两次实习任命。

对Wallula井的钻屑样品进行了TGA-MS测试。

巴特尔斯说:“我们把岩石样本磨成非常细的粉末状，然后把一小部分——大约一颗葵花籽的大小——放入一个加热的机器中，然后跟踪样本的重量。”

在高温下，会发生各种反应。水分子和二氧化碳分子从样品中释放出来，进入一个与质谱仪相连的小管。

“很难辨别碳的数量和来源，”米勒说。“我们可以做很多事情，比如向岩石发射x射线，并尝试用这种方式观察碳酸盐，但TGA-MS让我们看到的数量比我们用x射线探测到的要少得多。”

这项技术使研究人员能够在碳矿物通过管子进入质谱仪时对它们进行量化。他们检测到的矿物质含量只有百万分之48，这是已知的第一个将TGA-MS定量降低到两位数的研究。利用测量结果，PNNL团队创建了一条校准曲线，将碳矿物的重量与其TGA-MS信号联系起来，使他们能够量化样品中碳矿物的数量。

指导下一代碳矿化专家

随着研究领域的发展，Schaef和Miller致力于将PNNL的碳矿化发现带到商业规模，并激励学生和早期职业研究人员加入对碳管理解决方案的探索。

Madeline参加SULI给了她动手学习的机会，以第一作者的身份发表论文，并成为封面人物。这是一项伟大的、有影响力的工作。”“我们团队中的人越多，就会有更多的观点、想法和方法被引入到如何将这项研究扩大规模的工作中。”

今年夏天，巴特尔斯作为SULI实习生重新加入了PNNL，并计划作为研究生继续她的碳矿化和地球化学研究。

沙夫说:“作为一个国家实验室，我们希望吸引下一代，这就是我们在这里所做的。”“我在这个领域已经超过32年了，我很想培养更多像Madeline这样的人，希望他们能找到解决社会面临的这些挑战的方法。”