Aan de niet-ingewijden, de achterste hoek van ISC 1233 kan worden aangezien voor een stilleven van een moonshiner. Een reeks plastic buizen kurkentrekker in een extra grote glazen kan die in een geventileerde kap rust. Maar in plaats van bootleg whisky te maken, Rachel O'Brien kweekt spuitbussen.

"Dit is mijn aërosolboerderij, " O'Brien zegt trots, gebaar naar de motorkap. "De studenten maken de spuitbussen en wij verzamelen ze. Kijk, Ik heb daar een paar kleine jongens."

De kleine jongens zijn eigenlijk vers geslagen versies van veel voorkomende componenten van de atmosfeer van de aarde. Aerosolen ontstaan ​​wanneer fijne vaste deeltjes of vloeistofdruppels in lucht of een ander gas worden gesuspendeerd. Stof, nevel en rook zijn allemaal voorbeelden van aerosolen. Ze spelen een cruciale rol bij het beïnvloeden van de luchtkwaliteit en het klimaat op aarde.

Deze zomer, O'Brien, assistent-professor scheikunde bij William &Mary, werkt samen met Nathan Kidwell, ook een assistent-professor scheikunde. De twee chemici hebben hun zinnen gezet op bruine koolstof, een klasse van organische moleculen die voornamelijk het gevolg zijn van de uitstoot van fossiele brandstoffen en de verbranding van biomassa.

Bruine koolstof absorbeert zichtbaar zonlicht, wat een algeheel verwarmend effect op de atmosfeer heeft. In feite, bruine koolstof absorbeert zo'n hoog niveau van zichtbare straling dat het geclassificeerd wordt als een broeikasgas.

"Ze zijn als atmosferische zonnefiltermoleculen, Kidwell zei. "Ze absorberen licht en kunnen verwarmende gevolgen hebben, maar ze kunnen ook de chemie van de atmosfeer beïnvloeden."

Om erachter te komen hoe bruine koolstof de chemie van de atmosfeer beïnvloedt, Kidwell en O'Brien zijn van plan om exact dezelfde bruine koolstofmonsters te gebruiken en de moleculen in zowel de gas- als de gecondenseerde fase te onderzoeken om te modelleren wat er in het wild gebeurt. Het duo ontving onlangs een beurs van de Jeffress Memorial Trust, die interdisciplinaire projecten bij onderzoeksinstellingen in Virginia ondersteunt.

Het uiteindelijke doel is om te kunnen laten zien hoe de verontreinigende stof uiteenvalt met zonlicht, als zowel een gas- als een wolkendruppel. Om dat doel te bereiken is een grote groep toegewijde studenten nodig. Kidwell's student-onderzoekers zijn Naa-Kwarley Quartey '20, Sarah Chen '20, David Hood '21 en masterkandidaat K. Jacob Blackshaw. O'Brien's student-onderzoekers zijn Lydia Dolvin '20, Michaël Ambrosius '19, Willem Perrine '19, Corey Thrasher '21, Jacob Shusterman '19 en masterkandidaat Emma Walhout.

De studenten in O'Brien's lab brengen de zomer door met het maken van spuitbussen, die ze zullen extraheren en mengen met een combinatie van bruine koolstofmoleculen en troebel water. Het doel is om een ​​synthetische versie van echte vuile wolken te maken en te bestuderen.

"Veel bruine koolstof is afkomstig van vervuilende stoffen, dus het komt van verbranding en reacties die plaatsvinden in steden, "O'Brien zei. "Wat we niet begrijpen is het lot ervan, de levensduur die het in de atmosfeer heeft. In fundamentele termen, we willen weten hoe snel deze dingen worden vernietigd door zonlicht en wat er gebeurt als ze worden vernietigd."

Het laboratorium van Kidwell zal dezelfde bruine koolstofmonsters gebruiken om te bestuderen hoe de moleculen afbreken wanneer ze worden blootgesteld aan zonlicht. Ze werken ook aan het begrijpen van de fundamentele eigenschappen van bruine koolstofchromoforen, die aanleiding geven tot de verbeterde lichtabsorptie-eigenschappen van aerosolen, hij legde uit.

Hun toolkit omvat een reeks lasers die zijn afgestemd om de exacte frequenties na te bootsen die door de zon worden uitgezonden. Om de hoogst mogelijke nauwkeurigheid te krijgen, ze zappen monsters in de gasfase.

"We hebben deze moleculen en we weten dat ze in de atmosfeer ontleden, Kidwell zei. "Als ze zichtbaar licht absorberen, Er gebeurt iets. Ze kunnen banden verbreken om nieuwe producten te maken - en die producten kunnen verder gaan met scheikunde. Wat we doen, is het effectief in kaart brengen van de routes van hoe deze moleculen uit elkaar vallen."

De moleculen breken op verschillende manieren uit elkaar, afhankelijk van de fase waarin ze zich bevinden. Wanneer zonlicht bruine koolstof in de gasfase raakt, de moleculen absorberen de zonnestraling en vormen radicalen, moleculen met een ongepaard elektron.

Radicalen zijn zeer reactief, terwijl ze proberen te paren of hun extra elektron verliezen. Die elektronenspeurtocht leidt ertoe dat radicalen andere organische moleculen in de atmosfeer verder oxideren en een cascade van chemische reacties creëren.

"Hydroxylradicaal is een grote waar we naar uitkijken, " zei Kidwell. Het molecuul bestaat uit één waterstof- en één zuurstofatoom en is een van de meest reactieve moleculen van onze planeet. het wordt gewoonlijk de 'afwasmiddel van de atmosfeer' genoemd. "Het is zo ongelooflijk reactief dat als het een molecuul raakt, het maakt onmiddellijk een chemische reactie."

Er zijn tal van andere radicalen op Kidwells radar. Hij ontving onlangs financiering van het American Chemical Society Petroleum Research Fund om chemische reacties te karakteriseren waarbij stikstofoxideradicalen en omgevingsmoleculen zoals zuurstof betrokken zijn.

"Deze chemie is belangrijk voor degenen die atmosferische en verbrandingsprocessen modelleren, " hij zei.

Hoewel bruine koolstof als gas in de atmosfeer kan komen, het blijft niet altijd zo. Bruine koolstof wordt vaak opgelost in wolkwaterdruppels, die het naar vloeistof verplaatst, ook wel de gecondenseerde fase genoemd. Dit is waar O'Brien om de hoek komt kijken. Ze is gespecialiseerd in spuitbussen, een centrale component in wolken.

"Elke wolk in de atmosfeer, elke druppel ervan heeft een aërosolzaad, " O'Brien zei. "We creëren geen wolken in de atmosfeer zonder de aerosolen, dus weten welke materiaalvormen in wolkendruppels nuttig zijn."

In de gecondenseerde fase, bruine koolstof vangt zonlicht op en warmt op, die wolkendruppels verdampt en secundaire reacties met ander organisch materiaal in de gecondenseerde fase aanstuurt, O'Brien legde het uit. Aangezien er zeer weinig gegevens zijn over bruine koolstof in de gecondenseerde fase, ze aarzelt om voorspellingen te doen over wat voor soort chemicaliën zullen worden geproduceerd als het molecuul uiteenvalt met zonlicht.

"Ik vertel mensen dat ik aan synthese doe, maar de waarheid is dat ik niet probeer mijn producten te controleren, ' zei O'Brien. 'We laten het gewoon scheuren.'

Het laten scheuren is tot nu toe goed gelukt. O'Brien begint aan haar eerste jaar bij William &Mary en ontving onlangs financiering van de National Science Foundation voor haar werk om aerosolmetingen te combineren met satellietgegevens. Ze maakt deel uit van een internationaal team van onderzoekers die beeldgegevens uit de ruimte integreren met luchtkwaliteitsgegevens op de grond.

"Aerosolen leveren een belangrijke bijdrage aan voortijdige sterfte wereldwijd, " zei O'Brien. "Het probleem is dat we geen metingen hebben van hoeveel het er zijn, vooral op locaties waar het echt belangrijk is om die metingen te hebben."

O'Brien analyseert luchtmonsters van over de hele wereld in haar lab, met behulp van een nieuw geïnstalleerde Orbitrap-massaspectrometer. Het instrument vangt ionen op en zet hun signalen om in een massaspectrum, die een gedetailleerde chemische analyse geeft van welke moleculen het monster bevat.

Hongmin Yu, een stijgende junior en scheikunde major, is een van O'Briens belangrijkste medewerkers aan het project. Ze brengt haar zomer door met het doorzoeken van de gegevens van de massaspectrometer. Yu groeide op in Shanghai en was getuige van de effecten van luchtvervuiling op het milieu. Toen ze zich inschreef bij William &Mary, ze wist dat ze zich wilde concentreren op atmosferische wetenschap.

"Het werk dat we hier doen is enorm belangrijk, " zei Yu. "Het is niet alleen cruciaal voor ons, maar voor de volgende generaties. Wat ik doe is zinvol, niet alleen voor de wetenschap, maar voor de mensheid."