La investigación adorna la portada de Física Química Química Física. Crédito:la Real Sociedad de Química
Imagina una pequeña gota. Contiene agua, el burbujeante peróxido de hidrógeno antiséptico, y un común, químico amarillento llamado glioxal. Cuando la gota se expone a la luz, ocurre una cascada de reacciones, produciendo nuevos materiales. Estas reacciones ocurren en la superficie, donde el líquido se encuentra con el aire. Los científicos no tenían muchos detalles sobre las reacciones hasta que la Dra. Xiao-Ying Yu del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del DOE y sus colegas aceptaron el desafío. Obtuvieron los detalles utilizando un espectrómetro de masas de imágenes que generalmente hierve los líquidos al vacío. Descubrieron que las reacciones no se detienen cuando la luz se desvanece. También vieron cómo los productos resultantes se mezclaban en la superficie y reaccionaban con más de 40 grupos de agua.
"Los modelos de computadora pueden rastrear entre 10 y 12 clústeres, "dijo Yu, el autor correspondiente del estudio. "Observamos más de 40 grupos en líquido. Pudimos ver cómo los productos químicos cambian el microambiente, creando grupos de agua más grandes ".
Satisfacer la demanda de energía a través de nuevos combustibles, La eficiencia energética y el secuestro de carbono requieren saber cómo se forman los materiales para, Sucesivamente, controlar esa formación y producir materiales por el vagón y el barril. Este estudio ofrece información sobre cómo los componentes químicos (glioxal, agua, y peróxido de hidrógeno - encadenar juntos, o nucleado, para formar materiales. Además, el trabajo ofrece información sobre las reacciones de nucleación que involucran glioxal en el aire. En la atmósfera, estas reacciones conducen a partículas que afectan la formación de nubes y el clima.
Muchos de los pasos son conocidos en el uso de glioxal con peróxido de hidrógeno para formar ácidos dicarboxílicos y cadenas de hidrocarburos. conocidos como oligómeros. Estos oligómeros también son los materiales de partida para los aerosoles atmosféricos preocupantes, conocidos como aerosoles orgánicos secundarios. El problema era que no se conocían todos los pasos y ese único instrumento deseable, espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS), no se pudo utilizar para rastrear los productos formados. No fue posible usar SIMS en una muestra líquida. Ahí es donde entra SALVI. Formalmente conocido como el Sistema de análisis en la interfaz de vacío líquido, SALVI permite que los instrumentos de imagen como SIMS estudien los líquidos expuestos al aire. Con la combinación SALVI y SIMS, El investigador puede seguir las reacciones en tiempo real y en un entorno realista.
La reacción de nucleación química se inicia con la luz ultravioleta. Con el SALVI, que es lo suficientemente pequeño como para caber en la palma de tu mano dura, dentro de la SIMS, el equipo examinó lo que sucedió cuando los productos químicos recibieron luz ultravioleta durante hasta 8 horas.
Pero el equipo también quería saber qué pasó cuando se apagaron las luces. Observaron cómo progresaban las reacciones cuando se mantenían en la oscuridad hasta por 8 horas. Se produjeron reacciones diferentes en la oscuridad que en la luz. Asombrosamente, el equipo descubrió que las reacciones no se detuvieron cuando la fuente de energía, la luz, hizo.
Usando SALVI en SIMS, ubicado en el EMSL del DOE, el equipo también creó un mapa espacial químico de la interfaz aire-líquido. Es decir, identificaron los productos químicos y su ubicación en diminutos huecos en la superficie del líquido. "En modelos, no es fácil ver qué se mezcla en las superficies, ", dijo Yu." Brindamos un vistazo de lo que realmente está en la superficie, o el estado de mezcla que es importante para los cambios interfaciales ".
Como bono adicional, SALVI permitió que el equipo observara de 43 a 44 grupos de agua en la muestra. Típicamente, Los modelos computacionales se ejecutan en supercomputadoras modelan de 10 a 12 grupos de agua. Al ver los racimos, El equipo determinó cómo los productos químicos creaban una superficie cada vez más hidrófoba que, Sucesivamente, juntaron el agua y crearon grupos de agua más grandes. "SALVI es la única técnica que puede proporcionar un mapeo molecular de grupos de agua y grupos de iones en líquido a nuestro leal saber y entender, "dijo Yu.