Immagina una piccola goccia. contiene acqua, il frizzante perossido di idrogeno antisettico, e un comune, sostanza chimica giallastra chiamata gliossale. Quando la goccia è esposta alla luce, si verifica una cascata di reazioni, produrre nuovi materiali. Queste reazioni avvengono sulla superficie, dove il liquido incontra l'aria. Gli scienziati non avevano molti dettagli sulle reazioni fino a quando la dottoressa Xiao-Ying Yu del Pacific Northwest National Laboratory del DOE e i suoi colleghi hanno raccolto la sfida. Hanno ottenuto i dettagli utilizzando uno spettrometro di massa a imaging che in genere fa evaporare i liquidi nel vuoto. Hanno scoperto che le reazioni non si fermano quando la luce svanisce. Hanno anche visto come i prodotti risultanti si mescolavano sulla superficie e reagivano con più di 40 gruppi d'acqua.

"I modelli di computer possono tracciare da 10 a 12 cluster, " disse Yu, l'autore corrispondente sullo studio. "Abbiamo osservato oltre 40 cluster nel liquido. Siamo stati in grado di vedere come i prodotti chimici modificano il microambiente, creando ammassi idrici più grandi."

Soddisfare la domanda di energia attraverso nuovi combustibili, l'efficienza energetica e il sequestro del carbonio richiedono la conoscenza di come si formano i materiali, a sua volta, controllare tale formazione e produrre materiali dal carro merci e dalla botte. Questo studio offre approfondimenti su come gli elementi costitutivi chimici - gliossale, acqua, e perossido di idrogeno:si concatenano insieme, o nucleate, per formare materiali. Inoltre, il lavoro offre approfondimenti sulle reazioni di nucleazione che coinvolgono il gliossale nell'aria. Nell'atmosfera, queste reazioni portano a particelle che influenzano la formazione delle nuvole e il clima.

Molti dei passaggi sono noti nell'uso di gliossale con perossido di idrogeno per formare acidi dicarbossilici e catene di idrocarburi, noti come oligomeri. Questi oligomeri sono anche i materiali di partenza per i fastidiosi aerosol atmosferici, noti come aerosol organici secondari. Il problema era che non tutti i passaggi erano noti e che uno strumento desiderabile, spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS), non può essere utilizzato per tracciare i prodotti formati. Non è stato possibile utilizzare SIMS su un campione liquido. È qui che entra in gioco SALVI. Formalmente noto come il sistema per l'analisi all'interfaccia del vuoto liquido, SALVI consente a strumenti di imaging come SIMS di studiare i liquidi esposti all'aria. Con la combinazione SALVI e SIMS, il ricercatore può seguire le reazioni in tempo reale e in un ambiente realistico.

La reazione di nucleazione chimica viene avviata dalla luce ultravioletta. Con SALVI, che è abbastanza piccolo da stare nel palmo del tuo duro, ambientato all'interno della SIMS, il team ha esaminato cosa è successo quando le sostanze chimiche hanno ricevuto luce ultravioletta per un massimo di 8 ore.

Ma il team voleva anche sapere cosa è successo quando le luci si sono spente. Hanno osservato come sono progredite le reazioni quando sono stati tenuti al buio per un massimo di 8 ore. Al buio si sono verificate reazioni diverse rispetto alla luce. Sorprendentemente, il team ha scoperto che le reazioni non si sono fermate quando la fonte di energia, la luce, fatto.

Usando SALVI in SIMS, situato presso l'EMSL del DOE, il team ha anche creato una mappa spaziale chimica dell'interfaccia aria-liquido. Questo è, hanno identificato le sostanze chimiche e la loro posizione in minuscole cavità sulla superficie del liquido. "Nei modelli, non è facile vedere cosa si mescola alle superfici, " ha detto Yu. "Abbiamo fornito un assaggio di ciò che è veramente in superficie, o lo stato di miscelazione che è importante per i cambiamenti di interfaccia".

Come bonus aggiuntivo, SALVI ha permesso al team di osservare da 43 a 44 gruppi di acqua nel campione. Tipicamente, i modelli computazionali vengono eseguiti su supercomputer modello da 10 a 12 cluster d'acqua. Nel vedere i grappoli, il team ha determinato come i prodotti chimici hanno creato una superficie sempre più idrofoba che, a sua volta, ha unito l'acqua e ha creato ammassi d'acqua più grandi. "SALVI è l'unica tecnica in grado di fornire la mappatura molecolare di cluster di acqua e cluster di ioni in liquido al meglio delle nostre conoscenze, " disse Yu.