Stel je een kleine druppel voor. Het bevat water, het bruisende antiseptische waterstofperoxide, en een gemeenschappelijke geelachtige chemische stof genaamd glyoxal. Wanneer de druppel wordt blootgesteld aan licht, er ontstaat een cascade van reacties, het produceren van nieuwe materialen. Deze reacties vinden plaats aan het oppervlak, waar vloeistof lucht ontmoet. Wetenschappers hadden niet veel details over de reacties totdat Dr. Xiao-Ying Yu van DOE's Pacific Northwest National Laboratory en haar collega's de uitdaging aangingen. Ze kregen de details met behulp van een beeldvormende massaspectrometer die vloeistoffen doorgaans in vacuüm wegkookt. Ze ontdekten dat de reacties niet stoppen als het licht dooft. Ze zagen ook hoe de resulterende producten zich aan het oppervlak vermengden en reageerden met meer dan 40 waterclusters.

"Computermodellen kunnen ongeveer 10 tot 12 clusters volgen, " zei Yu, de corresponderende auteur van het onderzoek. "We hebben meer dan 40 clusters in vloeistof waargenomen. We hebben kunnen zien hoe de chemische producten de micro-omgeving veranderen, het creëren van grotere waterclusters."

Door nieuwe brandstoffen in de vraag naar energie te voorzien, energie-efficiëntie en koolstofvastlegging vereist dat we weten hoe materialen zich vormen, beurtelings, controleer die formatie en produceer materialen door de wagon en het vat. Deze studie biedt inzicht in hoe chemische bouwstenen – glyoxal, water, en waterstofperoxide-keten samen, of kiemen, materialen te vormen. In aanvulling, het werk biedt inzicht in kiemvormingsreacties met glyoxal in de lucht. In de atmosfeer, deze reacties leiden tot deeltjes die de wolkenvorming en het klimaat beïnvloeden.

Veel van de stappen zijn bekend bij het gebruik van glyoxal met waterstofperoxide om dicarbonzuren en ketens van koolwaterstoffen te vormen, bekend als oligomeren. Deze oligomeren zijn ook de uitgangsmaterialen voor verontrustende atmosferische aerosolen, bekend als secundaire organische aerosolen. Het probleem was dat niet alle stappen bekend waren en dat één gewenst instrument, secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS), kon niet worden gebruikt om de gevormde producten te volgen. Het was niet mogelijk om SIMS te gebruiken op een vloeistofmonster. Dat is waar SALVI om de hoek komt kijken. Formeel bekend als het systeem voor analyse bij de vloeistofvacuüminterface, Met SALVI kunnen beeldvormende instrumenten zoals SIMS vloeistoffen bestuderen die aan lucht zijn blootgesteld. Met de combinatie SALVI en SIMS, onderzoeker kan de reacties realtime en in een realistische omgeving volgen.

De chemische kiemvormingsreactie wordt gestart door ultraviolet licht. Met de SALVI, die klein genoeg is om in de palm van je harde, ingesteld in de SIMS, het team onderzocht wat er gebeurde als de chemicaliën tot 8 uur lang ultraviolet licht ontvingen.

Maar het team wilde ook weten wat er gebeurde toen de lichten uitgingen. Ze keken hoe de reacties verliepen als ze tot 8 uur in het donker werden gehouden. In het donker traden andere reacties op dan in het licht. Verrassend genoeg, het team ontdekte dat de reacties niet stopten toen de energiebron, het licht, deed.

SALVI gebruiken in SIMS, gevestigd op DOE's EMSL, het team creëerde ook een chemische ruimtelijke kaart van de lucht-vloeistofinterface. Dat is, ze identificeerden de chemicaliën en hun locatie in kleine kuiltjes op het oppervlak van de vloeistof. "Bij modellen, het is niet gemakkelijk om te zien wat zich aan de oppervlakken vermengt, " zei Yu. "We hebben een glimp gegeven van wat er echt aan de oppervlakte is - of de mengtoestand die belangrijk is voor grensvlakveranderingen."

Als een toegevoegde bonus, SALVI liet het team 43 tot 44 waterclusters in het monster observeren. Typisch, rekenmodellen draaien op supercomputers, model 10 tot 12 waterclusters. Bij het zien van de clusters, het team bepaalde hoe de chemische producten een steeds hydrofoob oppervlak creëerden dat, beurtelings, duwde het water samen en creëerde grotere waterclusters. "SALVI is de enige techniek die voor zover wij weten de moleculaire kartering van waterclusters en ionenclusters in vloeistof kan verschaffen, " zei Yu.