Kemikere analyserer luftforurening

Til de uindviede, det bageste hjørne af ISC 1233 kan forveksles med en moonshiner's still. En serie af plastrør proptrækker i en overdimensioneret glaskande, der hviler inde i en ventileret emhætte. Men i stedet for at lave bootleg whisky, Rachel O'Brien dyrker aerosoler.

"Dette er min aerosolgård, "O'Brien siger stolt, gestikulerer mod hætten. "Eleverne laver aerosolerne, og vi samler dem. Se, Jeg har nogle små fyre derinde. "

De små fyre er faktisk nyfremstillede versioner af meget udbredte komponenter i Jordens atmosfære. Aerosoler dannes, når fine faste partikler eller flydende dråber suspenderes i luft eller en anden gas. Støv, dis og røg er alle eksempler på aerosoler. De spiller en afgørende rolle for at påvirke luftkvaliteten og Jordens klima.

Den her sommer, O'Brien, adjunkt i kemi hos William &Mary, går sammen med Nathan Kidwell, også adjunkt i kemi. De to kemikere har sat deres blik på brun kulstof, en klasse af organiske molekyler, der primært skyldes fossile brændstoffer og biomasseforbrænding.

Brunt kulstof absorberer synligt sollys, som har en generel opvarmningseffekt på atmosfæren. Faktisk, brunt kulstof absorberer så højt et niveau af synlig stråling, at det er klassificeret som en drivhusgas.

"De er som atmosfæriske solcreme -molekyler, "Kidwell sagde." De absorberer lys og kan have varmeeffekter, men de kan også påvirke atmosfærens kemi. "

For at finde ud af præcis, hvordan brunt kul påvirker atmosfærens kemi, Kidwell og O'Brien planlægger at bruge nøjagtig de samme brune kulstofprøver og undersøge molekylerne i både gas- og kondensfasen for at modellere, hvad der sker i naturen. Duoen modtog for nylig et tilskud fra Jeffress Memorial Trust, som understøtter tværfaglige projekter ved Virginia forskningsinstitutioner.

Det endelige mål er at kunne vise, hvordan forurenende stoffer bryder sammen med sollys, som både en gas- og en skydråbe. At nå det mål kræver en betydelig gruppe dedikerede studerende. Kidwells studenterforskere er Naa-Kwarley Quartey '20, Sarah Chen '20, David Hood '21 og kandidatkandidat K. Jacob Blackshaw. O'Briens studerende forskere er Lydia Dolvin '20, Michael Ambrose '19, William Perrine '19, Corey Thrasher '21, Jacob Shusterman '19 og kandidat kandidat Emma Walhout.

Eleverne i O'Briens laboratorium bruger sommeren på at lave aerosoler, som de vil udtrække og blande med en kombination af brune kulstofmolekyler og skyvand. Målet er at lave og studere en syntetisk version af den virkelige verden beskidte skyer.

"Meget brunt kulstof kommer fra forurenende stoffer, så det kommer fra forbrænding og reaktioner, der opstår i byer, "Sagde O'Brien." Det, vi ikke forstår, er skæbnen for det, den levetid, den har i atmosfæren. I grundlæggende termer, vi vil vide, hvor hurtigt disse ting ødelægges af sollys, og hvad der sker, når de bliver ødelagt. "

Kidwells laboratorium bruger de samme brune kulstofprøver til at undersøge, hvordan molekylerne nedbrydes, når de udsættes for sollys. De arbejder også på at forstå de grundlæggende egenskaber ved brune kulstofchromoforer, som giver anledning til aerosols forbedrede lysabsorberende egenskaber, forklarede han.

Deres værktøjskasse involverer en række lasere, der er indstillet til at efterligne de nøjagtige frekvenser, der udsendes af solen. For at få den højest mulige nøjagtighed, de zapper prøver i gasfasen.

"Vi har disse molekyler, og vi ved, at de nedbrydes i atmosfæren, "Sagde Kidwell." Når de absorberer synligt lys, Noget sker. De kan bryde bindinger for at lave nye produkter - og disse produkter kan fortsætte med at lave yderligere kemi. Det, vi gør, er effektivt at kortlægge ruterne for, hvordan disse molekyler bryder fra hinanden. "

Molekylerne brydes forskelligt fra hinanden afhængigt af hvilken fase de er i. Når sollys rammer brunt kulstof i gasfasen, molekylerne absorberer solstrålingen og danner radikaler, molekyler med en uparret elektron.

Radikale er meget reaktive, som de ser ud til at parre sig eller miste deres ekstra elektron. Denne elektronfangersøgning fører til, at radikaler yderligere oxiderer andre organiske molekyler i atmosfæren og skaber en kaskade af kemiske reaktioner.

"Hydroxylradikal er en stor, vi ser efter, "sagde Kidwell. Molekylet består af et hydrogen og et oxygenatom og er et af vores planets mest reaktive molekyler. Faktisk er det kaldes almindeligvis "atmosfærens vaskemiddel". "Det er så utroligt reaktivt, at hvis det rammer et molekyle, det får øjeblikkeligt en kemisk reaktion. "

Der er masser af andre radikaler på Kidwells radar. Han modtog for nylig finansiering fra American Chemical Society Petroleum Research Fund til at karakterisere kemiske reaktioner, der involverer nitrogenoxidradikaler og omgivende molekyler som ilt.

"Denne kemi er vigtig for dem, der modellerer atmosfæriske og forbrændingsprocesser, " han sagde.

Mens brunt kulstof kan komme ind i atmosfæren som en gas, det forbliver ikke altid sådan. Brunt kulstof opløses ofte i skyvanddråber, som flytter det til væske, også kendt som den kondenserede fase. Det er her O'Brien kommer ind. Hun har specialiseret sig i aerosoler, en central komponent i skyer.

"Hver sky i atmosfæren, hver dråbe af den har et aerosolfrø, "O'Brien sagde." Vi kerner ikke skyer i atmosfæren uden aerosolerne, så det kan være nyttigt at vide, hvilket materiale der dannes i skydråber. "

I den kondenserede fase, brunt kulstof fanger sollys og varmer op, som fordamper skydråber og driver sekundære reaktioner med andet organisk materiale i kondenseret fase, O'Brien forklarede. Da der er meget få data om brunt kulstof i den kondenserede fase, hun tøver med at forudsige, hvilken slags kemikalier der vil blive produceret, når molekylet nedbrydes med sollys.

"Jeg fortæller folk, at jeg syntetiserer, men sandheden er, at jeg ikke prøver at kontrollere mine produkter, "Sagde O'Brien." Vi lod det bare rive. "

At lade det rive har fungeret godt indtil videre. O'Brien kommer op på sit første år hos William &Mary og modtog for nylig finansiering fra National Science Foundation til sit arbejde med at parre aerosolmålinger med satellitdata. Hun er en del af et internationalt team af forskere, der arbejder på at integrere billeddata fra rummet med data om luftkvalitet på jorden.

"Aerosoler er en vigtig bidragyder til for tidlig død på verdensplan, "sagde O'Brien." Problemet er, at vi ikke har målinger af, hvor mange der er, især på steder, hvor det er virkelig vigtigt at have disse målinger. "

O'Brien vil analysere luftprøver fra hele verden inde i hendes laboratorium, ved hjælp af et nyinstalleret Orbitrap Massespektrometer. Instrumentet fanger ioner og konverterer deres signaler til et massespektrum, som giver en detaljeret kemisk analyse af hvilke molekyler prøven indeholder.

Hongmin Yu, en stigende junior og kemi major, er en af ​​O'Briens vigtigste samarbejdspartnere om projektet. Hun bruger sin sommer på at kæmme igennem de data, der frembringes af massespektrometeret. Yu voksede op i Shanghai og oplevede førstehånds virkningerne af luftforurening på miljøet. Da hun tilmeldte sig William &Mary, hun vidste, at hun ville fokusere på atmosfærisk videnskab.

"Det arbejde, vi udfører her, er ekstremt vigtigt, "Sagde Yu." Det er ikke kun afgørende for os, men for de næste generationer. Det jeg laver er meningsfuldt, ikke kun for videnskab, men for menneskeheden. "