Para los no iniciados, la esquina trasera de ISC 1233 podría confundirse con un destilador de alcohol ilegal. Una serie de tubos de plástico se enroscan en una jarra de vidrio de gran tamaño que descansa dentro de una campana ventilada. Pero en lugar de hacer whisky de contrabando, Rachel O'Brien está cultivando aerosoles.

"Esta es mi granja de aerosoles, "O'Brien dice con orgullo:haciendo un gesto hacia el capó. "Los estudiantes están haciendo los aerosoles y nosotros los recolectamos. Mira, Tengo algunos pequeños allí ".

Los pequeños son en realidad versiones recién acuñadas de componentes altamente prevalentes de la atmósfera de la Tierra. Los aerosoles se crean cuando las partículas sólidas finas o las gotas de líquido se suspenden en el aire u otro gas. Polvo, la neblina y el humo son ejemplos de aerosoles. Desempeñan un papel vital al influir en la calidad del aire y el clima de la Tierra.

Este verano, O'Brien, profesor asistente de química en William &Mary, se asocia con Nathan Kidwell, también profesor asistente de química. Los dos químicos han puesto sus miras en el carbón marrón, una clase de moléculas orgánicas que resultan principalmente de las emisiones de combustibles fósiles y la quema de biomasa.

El carbón marrón absorbe la luz solar visible, que tiene un efecto de calentamiento general en la atmósfera. De hecho, El carbón marrón absorbe un nivel tan alto de radiación visible que se clasifica como gas de efecto invernadero.

"Son como moléculas de protección solar atmosférica, ", Dijo Kidwell." Absorben la luz y pueden tener implicaciones de calentamiento, pero también pueden afectar la química de la atmósfera ".

Para averiguar exactamente cómo el carbono marrón impacta la química de la atmósfera, Kidwell y O'Brien planean usar exactamente las mismas muestras de carbón marrón y examinar las moléculas tanto en la fase gaseosa como en la condensada para modelar lo que sucede en la naturaleza. El dúo recibió recientemente una subvención de Jeffress Memorial Trust, que apoya proyectos interdisciplinarios en instituciones de investigación de Virginia.

El objetivo final es poder mostrar cómo el contaminante se descompone con la luz solar, como gota de gas y de nube. Lograr ese objetivo requiere un grupo considerable de estudiantes dedicados. Los estudiantes investigadores de Kidwell son Naa-Kwarley Quartey '20, Sarah Chen '20, David Hood '21 y el candidato a maestría K. Jacob Blackshaw. Los estudiantes investigadores de O'Brien son Lydia Dolvin '20, Michael Ambrose '19, William Perrine '19, Corey Thrasher '21, Jacob Shusterman '19 y la candidata a maestría Emma Walhout.

Los estudiantes del laboratorio de O'Brien pasan el verano creando aerosoles, que extraerán y mezclarán con una combinación de moléculas de carbón marrón y agua de nube. El objetivo es crear y estudiar una versión sintética de las nubes sucias del mundo real.

"Una gran cantidad de carbono marrón proviene de contaminantes, por lo que proviene de la combustión y las reacciones que ocurren en las ciudades, ", Dijo O'Brien." Lo que no entendemos es su destino, la vida que tiene en la atmósfera. En términos básicos, queremos saber qué tan rápido estas cosas son destruidas por la luz solar y qué sucede cuando se destruyen ".

El laboratorio de Kidwell utilizará las mismas muestras de carbón marrón para estudiar cómo se descomponen las moléculas cuando se exponen a la luz solar. También están trabajando para comprender las propiedades fundamentales de los cromóforos de carbono marrón, que dan lugar a las propiedades mejoradas de absorción de la luz de los aerosoles, él explicó.

Su caja de herramientas incluye una serie de láseres que están sintonizados para imitar las frecuencias exactas emitidas por el sol. Para obtener la mayor precisión posible, eliminan muestras en la fase gaseosa.

"Tenemos estas moléculas y sabemos que se descomponen en la atmósfera, "Dijo Kidwell." Cuando absorben la luz visible, algo pasa. Pueden romper enlaces para fabricar nuevos productos, y esos productos pueden seguir haciendo química adicional. Lo que estamos haciendo es mapear efectivamente las rutas de cómo estas moléculas se rompen ".

Las moléculas se rompen de manera diferente según la fase en la que se encuentren. Cuando la luz solar incide en el carbón marrón en la fase gaseosa, las moléculas absorben la radiación solar y forman radicales, moléculas con un electrón desapareado.

Los radicales son altamente reactivos, ya que buscan emparejarse o perder su electrón extra. Esa búsqueda del eliminador de electrones lleva a los radicales a oxidar aún más otras moléculas orgánicas en la atmósfera y crear una cascada de reacciones químicas.

"El radical hidroxilo es uno de los grandes que estamos buscando, "dijo Kidwell. La molécula consta de un átomo de hidrógeno y un átomo de oxígeno y es una de las moléculas más reactivas de nuestro planeta. De hecho, se le conoce comúnmente como el "detergente de la atmósfera". "Es tan increíblemente reactivo que si golpea una molécula, instantáneamente hace una reacción química ".

Hay muchos otros radicales en el radar de Kidwell. Recientemente recibió fondos del Fondo de Investigación del Petróleo de la Sociedad Química Estadounidense para caracterizar las reacciones químicas que involucran radicales de óxido nítrico y moléculas ambientales como el oxígeno.

"Esta química es importante para aquellos que modelan los procesos atmosféricos y de combustión, " él dijo.

Si bien el carbón marrón puede entrar a la atmósfera como gas, no siempre es así. El carbón marrón a menudo se disuelve en gotas de agua de nube, que lo convierte en líquido, también conocida como fase condensada. Aquí es donde entra O'Brien. Se especializa en aerosoles, un componente central en las nubes.

"Cada nube de la atmósfera, cada gota tiene una semilla de aerosol, "O'Brien dijo." No nucleamos nubes en la atmósfera sin los aerosoles, por lo que saber qué material se forma en las gotas de las nubes puede resultar útil ".

En la fase condensada, El carbón marrón atrapa la luz solar y se calienta. que evapora las gotitas de la nube e impulsa reacciones secundarias con otro material orgánico en fase condensada, O'Brien explicó. Dado que hay muy pocos datos sobre el carbón marrón en la fase condensada, Ella duda en hacer predicciones sobre qué tipo de sustancias químicas se producirán cuando la molécula se descomponga con la luz solar.

"Le digo a la gente que hago síntesis, pero la verdad es que no intento controlar mis productos, "Dijo O'Brien." Simplemente dejamos que se rompa ".

Dejar que se rompa ha funcionado bien hasta ahora. O'Brien está por su primer año en William &Mary y recientemente recibió fondos de la National Science Foundation por su trabajo combinando mediciones de aerosoles con datos satelitales. Ella es parte de un equipo internacional de investigadores que trabaja para integrar datos de imágenes del espacio con datos de calidad del aire en tierra.

"Los aerosoles contribuyen de manera importante a la muerte prematura en todo el mundo, "dijo O'Brien." El problema es que no tenemos medidas de cuántos hay, especialmente en lugares donde es realmente importante tener esas medidas ".

O'Brien analizará muestras de aire de todo el mundo dentro de su laboratorio, con la ayuda de un espectrómetro de masas Orbitrap recién instalado. El instrumento atrapa iones y convierte sus señales en un espectro de masas, que proporciona un análisis químico detallado de las moléculas que contiene la muestra.

Hongmin Yu, un estudiante de tercer año en ascenso y especialización en química, es uno de los principales colaboradores de O'Brien en el proyecto. Pasa el verano revisando los datos producidos por el espectrómetro de masas. Yu creció en Shanghai y fue testigo directo de los efectos de la contaminación del aire en el medio ambiente. Cuando se inscribió en William &Mary, sabía que quería centrarse en la ciencia atmosférica.

"El trabajo que estamos haciendo aquí es extremadamente importante, "Dijo Yu." Es crucial no solo para nosotros, pero para las próximas generaciones. Lo que estoy haciendo es significativo no solo para la ciencia, sino para la humanidad ".