Teknik giver detaljeret overblik over, hvordan visse polymerer dannes, låse op for svar om kernedannelse

Forestil dig en lille dråbe. Den indeholder vand, det brusende antiseptiske hydrogenperoxid, og en fælles, gulligt kemikalie kaldet glyoxal. Når dråben udsættes for lys, en kaskade af reaktioner opstår, at producere nye materialer. Disse reaktioner opstår på overfladen, hvor væske møder luft. Forskere havde ikke mange detaljer om reaktionerne, før Dr. Xiao-Ying Yu fra DOE's Pacific Northwest National Laboratory og hendes kolleger tog udfordringen op. De fik detaljerne ved hjælp af et billeddannende massespektrometer, der typisk koger væsker væk i vakuum. De fandt ud af, at reaktionerne ikke stopper, når lyset falmer. De så også, hvordan de resulterende produkter blandede sig på overfladen og reagerede med mere end 40 vandklynger.

"Computermodeller kan spore omkring 10 til 12 klynger, " sagde Yu, den tilsvarende forfatter på undersøgelsen. "Vi observerede over 40 klynger i væske. Vi var i stand til at se, hvordan de kemiske produkter ændrer mikromiljøet, skabe større vandklynger."

Imødekomme efterspørgslen efter energi gennem nye brændstoffer, energieffektivitet og kulstofbinding kræver at vide, hvordan materialer dannes til, på tur, kontrollere denne formation og producere materialer ved hjælp af kassevogn og tønde. Denne undersøgelse giver indsigt i, hvordan kemiske byggesten – glyoxal, vand, og hydrogenperoxid - kæder sammen, eller kernedannelse, at danne materialer. Ud over, værket giver indsigt i nukleationsreaktioner, der involverer glyoxal i luften. I atmosfæren, disse reaktioner fører til partikler, der påvirker skydannelse og klima.

Mange af trinene er kendt i at bruge glyoxal med hydrogenperoxid til at danne dicarboxylsyrer og kæder af kulbrinter, kendt som oligomerer. Disse oligomerer er også udgangsmaterialerne til forstyrrende atmosfæriske aerosoler, kendt som sekundære organiske aerosoler. Problemet var, at ikke alle trinene var kendt, og at et ønskværdigt instrument, sekundær ion massespektrometri (SIMS), kunne ikke bruges til at spore de dannede produkter. Det var ikke muligt at bruge SIMS på en væskeprøve. Det er her, SALVI kommer ind i billedet. Formelt kendt som System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface, SALVI lader billeddannende instrumenter såsom SIMS undersøge væsker udsat for luft. Med kombinationen SALVI og SIMS, forsker kan følge reaktionerne i realtid og i et realistisk miljø.

Den kemiske nukleationsreaktion kickstartes af ultraviolet lys. Med SALVI, som er lille nok til at passe i håndfladen på din hårde, sat inde i SIMS, holdet undersøgte, hvad der skete, da kemikalierne modtog ultraviolet lys i op til 8 timer.

Men holdet ville også vide, hvad der skete, da lyset gik ud. De så på, hvordan reaktionerne udviklede sig, når de blev holdt i mørke i op til 8 timer. Forskellige reaktioner opstod i mørke end i lys. Overraskende nok, holdet fandt ud af, at reaktionerne ikke stoppede, da energikilden, lyset, gjorde.

Brug af SALVI i SIMS, placeret på DOE's EMSL, holdet skabte også et kemisk rumligt kort over luft-væske-grænsefladen. Det er, de identificerede kemikalierne og deres placering i bittesmå fordybninger på væskens overflade. "I modeller, det er ikke nemt at se, hvad der blander sig ved overfladerne, " sagde Yu. "Vi gav et glimt af, hvad der virkelig er på overfladen - eller den blandingstilstand, der er vigtig for grænsefladeændringer."

Som en ekstra bonus, SALVI lod holdet observere 43 til 44 vandklynger i prøven. Typisk, beregningsmodeller kører på supercomputere model 10 til 12 vandklynger. Når man ser klyngerne, holdet fastslog, hvordan de kemiske produkter skabte en mere og mere hydrofob overflade, der på tur, skubbede vandet sammen og skabte større vandklynger. "SALVI er den eneste teknik, der kan give molekylær kortlægning af vandklynger og ionklynger i væske efter vores bedste viden, " sagde Yu.