Twee studies onder leiding van een faculteit van het Centre for Atmospheric Particle Studies van de Carnegie Mellon University laten zien hoe optisch pincet met aerosolen wetenschappers in staat kan stellen de componenten van de atmosfeer met nieuwe precisie te onderzoeken.

"Wat dit ons in staat stelt te doen, echt voor het eerst, is direct sonde en begrijpen hoe deeltjes evolueren in de atmosfeer, " zei Ryan Sullivan, universitair hoofddocent scheikunde en werktuigbouwkunde, die de eerste wetenschapper in Noord-Amerika is die gebruik maakt van optische pincettechnologie om aerosoldeeltjes te bestuderen die in de lucht zijn gesuspendeerd.

Optische pincetten maken gebruik van de kleine krachten die door licht worden uitgeoefend om kleine deeltjes of druppeltjes op te vangen en voorzichtig te manipuleren. Arthur Ashkin won in 2018 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor het ontwikkelen van deze techniek. In aerosol optische pincetten (AOT), individuele deeltjes worden zachtjes zwevend of "gepincet, " in een laserstraal, terwijl een Raman-trillingsspectrum van het deeltje wordt verzameld met hetzelfde laserlicht.

"Met andere technieken je krijgt een soort statische momentopname van het deeltje, " legde Sullivan uit. Maar met AOT, onderzoekers kunnen uren naar hetzelfde deeltje kijken terwijl het verandert als reactie op verschillende stimuli, wat een veel realistischere manier is om te observeren hoe ze zich in de echte atmosfeer zouden kunnen gedragen.

"Deeltjes zweven gemiddeld minstens een week in de atmosfeer rond, "Zei Sullivan. "Ze zijn zo dynamisch - hun samenstelling en andere eigenschappen evolueren voortdurend."

Die evolutie kan niet alleen resulteren in het veranderen van deeltjes die vanaf de aarde in de atmosfeer worden uitgestoten, maar in geheel nieuwe die worden gevormd. Secundaire organische aerosolen (SOA's) zijn moleculen die direct in de atmosfeer worden gevormd door de oxidatie van organische moleculen, zoals die worden uitgestoten door bomen, voertuigen en consumentenproducten. Deze deeltjes zijn een belangrijk maar zeer variabel onderdeel van de atmosfeer en kunnen effecten hebben op vervuiling, luchtkwaliteit, wolken en klimaat, en menselijke gezondheid.

In een onderzoek uit 2017 in het tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie , Sullivan's lab heeft voor het eerst secundaire organische aerosolen opgevangen en geanalyseerd met AOT. Hij werd bijgestaan ​​door Neil Donahue, een professor in de chemie en chemische technologie, en Kyle Gorkowski, een postdoctoraal onderzoeker aan de McGill University die werkte aan zijn Ph.D. onder Sullivan en Donahue.

"Het is zeer complex materiaal, " Sullivan zei over het werken met SOA, die ze direct in de AOT-kamer hebben gegenereerd door ozon te reageren met de organische damp α-pineen, een terpeenmolecuul dat door bomen wordt vrijgegeven. "Als resultaat krijg je tientallen of honderden verschillende chemische producten - het is als een op hol geslagen kettingreactie met allerlei vertakkingen." Deze SOA is een belangrijk onderdeel van atmosferisch fijnstof en de AOT-benadering biedt een unieke manier om de eigenschappen en chemie ervan rechtstreeks te bestuderen.

Met behulp van hun tweezed SOA-deeltjes, Sullivan en zijn medewerkers publiceerden het jaar daarop een studie in het tijdschrift Milieuwetenschap:processen en effecten rapporteren hun nieuwe methode om de eigenschappen en morfologie van deeltjes te analyseren die in twee afzonderlijke chemische fasen scheiden op basis van de Raman-spectra verzameld uit de AOT. In de meeste gevallen vormde de SOA een afzonderlijke schilfase rond een andere kernfase, en dankzij hun nieuwe analyse konden ze de eigenschappen van beide fasen bepalen terwijl ze veranderen door voortdurende chemische reacties.

De resultaten waren de eerste directe bevestiging van wat onderzoekers vermoedden over SOA-druppeltjes - dat ze in de atmosfeer "fase-afscheiden" het vormen van een kern van waterig of hydrofoob organisch materiaal omgeven door een omhulsel van geoxideerd secundair organisch materiaal.

Het is belangrijk om de exacte morfologie van SOA's te begrijpen, Sullivan merkte op, omdat wat zich aan het oppervlak van een deeltje bevindt, kan bepalen hoe gemakkelijk het reageert met andere gassen, waterdamp en licht in de atmosfeer. Bijvoorbeeld, veel belangrijke sporengassen in de atmosfeer reageren veel sneller met waterige fasen dan met organisch materiaal.

"Als ik een molecuul ben dat echt wil reageren met water, en ik moet graven en diffunderen door deze organische schaal, Ik bereik misschien niet op tijd de waterige fase waarmee ik wil reageren, " legde Sullivan uit. Deze organische schillen kunnen dus belangrijke gasdeeltjesreacties stoppen.

In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Chemo , Sullivan, Donahue en Gorkowski hebben de experimenten achter het werk van het team in 2018 opnieuw uitgevoerd, waarbij fasescheiding van SOA wordt getoond, maar onder verschillende omstandigheden.

"We wilden zien of de conclusies die we hadden getrokken over fasescheiding en morfologie voor secundaire organische aerosolen bij een hogere relatieve vochtigheid bij een lagere relatieve vochtigheid worden gehandhaafd wanneer er minder waterdamp in de buurt is, ' zei Sullivan. 'En dat doen ze ook.'

Verder, de studie verzamelt resultaten en observaties van eerder onderzoek om een ​​voorspellende formule te bouwen voor wanneer een fasescheiding zou optreden wanneer verschillende organische materialen onder verschillende omstandigheden worden geoxideerd, en wat de morfologie zou zijn van dat resulterende complexe fasegescheiden deeltje inclusief SOA. Sullivan gelooft dat dit nieuwe inzicht kan worden opgenomen in de huidige chemische modellen die het gedrag en de evolutie van atmosferische deeltjes op wereldschaal voorspellen.

In een andere nieuwe studie Sullivan, Gorkowski, en Hallie Boyer, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van North Dakota en voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Carnegie Mellon, ontwikkelde een techniek om de pH van druppeltjes met pincet nauwkeurig te meten om hun zuurgraad te bepalen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Analytische scheikunde .

"De pH van druppels is een enorme open vraag in de atmosferische chemie van deeltjes, omdat zuurgraad zo'n belangrijke eigenschap is voor vrijwel al het chemische gedrag, " Sullivan zei. De eigenschap kan niet alleen beïnvloeden hoe en of reacties plaatsvinden tussen verschillende deeltjes, maar het kan ook bepalen of een deeltje uiteindelijk fasegescheiden wordt of niet.

Hoewel het bepalen van de pH onder normale omstandigheden geen moeilijk proces is, het rechtstreeks meten van gesuspendeerde picoliter-aerosoldeeltjes heeft de atmosferische chemiegemeenschap decennialang uitgedaagd, merkte Sullivan op. Vooral, de hoge concentratie van ionen in atmosferische deeltjes zorgt ervoor dat de ionen meer met elkaar interageren dan in de meeste stoffen, het produceren van "niet-ideale" chemische interacties die de zuurgraad van de druppel aanzienlijk kunnen veranderen.

Door twee verschillende stukjes informatie te combineren die uniek zijn bepaald uit de Raman-trillingsspectra van de deeltjes, het team was in staat om een ​​techniek te ontwikkelen om deze uitdagingen te overwinnen en de pH van elke druppel direct met hoge nauwkeurigheid te meten. In aanvulling, ze waren in staat om veranderingen in de pH van de druppel te volgen. In het komende werk, ze demonstreren ook het vermogen om veranderingen in de pH van zowel de kern als de schil van fasegescheiden deeltjes in de loop van de tijd onafhankelijk waar te nemen.

Nu alle tools aanwezig zijn, Sullivan kijkt ernaar uit om voort te bouwen op al dit optische pincetwerk met aerosolen door de techniek te gebruiken om een ​​grote verscheidenheid aan deeltjes en chemische interacties in de atmosfeer van de aarde op een realistische manier te bestuderen.

"Het optische pincet stelt ons in staat om voor het eerst direct de dynamische evolutie van al deze kritische eigenschappen van atmosferische deeltjes te onderzoeken en hoe ze op elkaar reageren terwijl elk deeltje blijft evolueren, ' zei Sullivan.