Dos estudios dirigidos por profesores del Centro de Estudios de Partículas Atmosféricas de la Universidad Carnegie Mellon muestran cómo las pinzas ópticas en aerosol pueden permitir a los científicos escudriñar los componentes de la atmósfera con nueva precisión.

"Lo que esto nos permite hacer, realmente por primera vez, es sondear directamente y comprender cómo evolucionan las partículas en la atmósfera, "dijo Ryan Sullivan, profesor asociado de química e ingeniería mecánica, quien es el primer científico en América del Norte en hacer uso de la tecnología de pinzas ópticas para estudiar partículas de aerosol suspendidas en el aire.

Las pinzas ópticas aprovechan las pequeñas fuerzas que ejerce la luz para atrapar y manipular con suavidad pequeñas partículas o gotitas. Arthur Ashkin ganó el Premio Nobel de Física 2018 por desarrollar esta técnica. En pinzas ópticas en aerosol (AOT), las partículas individuales se levitan suavemente, o "tweezed, "en un rayo láser, mientras que un espectro vibratorio Raman de la partícula se recoge utilizando la misma luz láser.

"Con otras técnicas, obtienes una instantánea estática de la partícula, "Sullivan explicó. Pero con AOT, los investigadores pueden observar la misma partícula durante horas a medida que cambia en respuesta a diferentes estímulos, que es una forma mucho más realista de observar cómo podrían comportarse en la atmósfera real.

"Las partículas flotan en la atmósfera durante al menos una semana en promedio, ", Dijo Sullivan." Son tan dinámicos, su composición y otras propiedades están en constante evolución ".

Esa evolución puede resultar no solo en el cambio de partículas emitidas a la atmósfera desde la Tierra, pero en otros completamente nuevos que se están formando. Los aerosoles orgánicos secundarios (SOA) son moléculas que se forman directamente en la atmósfera a partir de la oxidación de moléculas orgánicas, como las que emiten los árboles, vehículos y productos de consumo. Estas partículas son un componente importante pero muy variable de la atmósfera y pueden tener efectos sobre la contaminación. calidad del aire, nubes y clima, y salud humana.

En un estudio de 2017 en la revista Ciencia y tecnología ambiental , El laboratorio de Sullivan capturó y analizó un aerosol orgánico secundario por primera vez con AOT. Fue asistido por Neil Donahue, profesor de química e ingeniería química, y Kyle Gorkowski, un investigador postdoctoral en la Universidad McGill que trabajó en su Ph.D. bajo Sullivan y Donahue.

"Es un material muy complejo, "Sullivan dijo sobre trabajar con SOA, que generaron directamente en la cámara AOT a partir del ozono que reacciona con el vapor orgánico α-pineno, una molécula de terpeno liberada por los árboles. "Obtendrá docenas o cientos de productos químicos diferentes como resultado, es como una reacción en cadena descontrolada con todo tipo de ramificaciones". Este SOA es un componente importante de las partículas atmosféricas y el enfoque AOT proporciona una forma única de estudiar directamente sus propiedades y química.

Usando sus partículas de SOA depiladas, Sullivan y sus colaboradores publicaron un estudio al año siguiente en la revista Ciencias ambientales:procesos e impactos informando sobre su nuevo método para analizar las propiedades y la morfología de las partículas que se separan en dos fases químicas separadas basadas en los espectros Raman recolectados del AOT. En la mayoría de los casos, la SOA formó una fase de capa separada alrededor de otra fase central, y su nuevo análisis les permitió determinar las propiedades de ambas fases a medida que cambian a través de reacciones químicas continuas.

Los resultados fueron la primera confirmación directa de lo que los investigadores habían sospechado acerca de las gotas de SOA:que se "separarían en fases" en la atmósfera, formando un núcleo de material orgánico acuoso o hidrófobo rodeado por una cáscara de material orgánico secundario oxidado.

Comprender la morfología exacta de los SOA es importante, Sullivan señaló, porque lo que hay en la superficie de una partícula puede determinar la facilidad con la que reacciona con otros gases, vapor de agua y luz en la atmósfera. Por ejemplo, muchos gases traza importantes en la atmósfera reaccionan mucho más rápidamente con fases acuosas que con material orgánico.

"Si soy una molécula que realmente quiere reaccionar con el agua, y tengo que excavar y difundir a través de este caparazón orgánico, Puede que no alcance la fase acuosa con la que quiero reaccionar a tiempo, "Sullivan explicó. Estas capas orgánicas pueden detener importantes reacciones gas-partículas.

En un nuevo estudio publicado en la revista Chem , Sullivan, Donahue y Gorkowski replantearon los experimentos detrás del trabajo del equipo en 2018 que muestran la separación de fases de SOA pero en diferentes condiciones.

"Queríamos ver si las conclusiones que habíamos extraído sobre la separación de fases y la morfología del aerosol orgánico secundario a una humedad relativa más alta se mantenían a una humedad relativa más baja cuando hay menos vapor de agua alrededor, ", Dijo Sullivan." Y lo hacen ".

Es más, el estudio recopila resultados y observaciones de investigaciones anteriores para construir una fórmula predictiva de cuándo ocurriría una separación de fases cuando diferentes materiales orgánicos se oxidan en diferentes condiciones, y cuál sería la morfología de esa partícula compleja de fase separada resultante que incluye SOA. Sullivan cree que esta nueva información se puede incorporar a los modelos químicos actuales que predicen el comportamiento y la evolución de las partículas atmosféricas a escalas globales.

En otro nuevo estudio, Sullivan, Gorkowski, y Hallie Boyer, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Dakota del Norte y ex investigador postdoctoral en Carnegie Mellon, desarrolló una técnica para medir con precisión el pH de las gotas depuradas para determinar su acidez. La investigación fue publicada en la revista Química analítica .

"El pH de las gotas es una gran cuestión abierta en la química atmosférica de las partículas porque la acidez es una propiedad clave para esencialmente todo el comportamiento químico, ", Dijo Sullivan. La propiedad no solo puede afectar cómo y si ocurren las reacciones entre diferentes partículas, pero también puede determinar si una partícula termina separándose en fases o no.

Si bien determinar el pH no es un proceso difícil en circunstancias normales, medirlo directamente a partir de partículas de aerosol picolitro suspendidas ha desafiado a la comunidad de la química atmosférica durante décadas, Notó Sullivan. En particular, la alta concentración de iones en las partículas atmosféricas hace que los iones interactúen entre sí más que en la mayoría de las sustancias, produciendo interacciones químicas "no ideales" que pueden alterar significativamente la acidez de la gota.

Al combinar dos piezas diferentes de información determinada de forma única a partir de los espectros vibratorios Raman de las partículas, el equipo pudo desarrollar una técnica para superar estos desafíos y medir el pH de cada gota directamente con gran precisión. Además, pudieron rastrear los cambios en el pH de la gota. En el próximo trabajo, también demuestran la capacidad de observar cambios en el pH tanto del núcleo como de la capa de partículas separadas por fases de forma independiente a lo largo del tiempo.

Con todas las herramientas ahora en su lugar, Sullivan está ansioso por aprovechar todo este trabajo de depilación óptica en aerosol utilizando la técnica para estudiar una amplia variedad de partículas e interacciones químicas en la atmósfera de la Tierra de una manera realista.

"Las pinzas ópticas nos permiten por primera vez sondear directamente la evolución dinámica de todas estas propiedades críticas de las partículas atmosféricas y cómo se retroalimentan entre sí a medida que cada partícula continúa evolucionando, "Dijo Sullivan.