Due studi condotti dalla facoltà del Centro per gli studi sulle particelle atmosferiche della Carnegie Mellon University mostrano come il tweezing ottico dell'aerosol può consentire agli scienziati di esaminare i componenti dell'atmosfera con nuova precisione.

"Ciò che questo ci permette di fare, davvero per la prima volta, è sondare direttamente e capire come le particelle si evolvono nell'atmosfera, "ha detto Ryan Sullivan, professore associato di chimica e ingegneria meccanica, che è il primo scienziato in Nord America a utilizzare la tecnologia delle pinzette ottiche per studiare le particelle di aerosol sospese nell'aria.

Le pinzette ottiche sfruttano le piccole forze esercitate dalla luce per intrappolare e manipolare delicatamente piccole particelle o goccioline. Arthur Ashkin ha vinto il Premio Nobel per la Fisica 2018 per lo sviluppo di questa tecnica. Nella pinzetta ottica aerosol (AOT), le singole particelle vengono delicatamente levitate, o "pinzetta, "in un raggio laser, mentre uno spettro vibrazionale Raman della particella viene raccolto utilizzando la stessa luce laser.

"Con altre tecniche, ottieni un'istantanea statica della particella, " ha spiegato Sullivan. Ma con AOT, i ricercatori possono osservare la stessa particella per ore mentre cambia in risposta a stimoli diversi, che è un modo molto più realistico di osservare come potrebbero comportarsi nell'atmosfera reale.

"Le particelle galleggiano nell'atmosfera in media per almeno una settimana, " Ha detto Sullivan. "Sono così dinamici:la loro composizione e altre proprietà sono in continua evoluzione".

Tale evoluzione può comportare non solo il cambiamento delle particelle emesse nell'atmosfera dalla Terra, ma in quelli completamente nuovi che si stanno formando. Gli aerosol organici secondari (SOA) sono molecole formate direttamente nell'atmosfera dall'ossidazione di molecole organiche, come quelli emessi dagli alberi, veicoli e prodotti di consumo. Queste particelle sono una componente importante ma molto variabile dell'atmosfera e possono avere effetti sull'inquinamento, qualità dell'aria, nuvole e clima, e salute umana.

In uno studio del 2017 sulla rivista Scienze e tecnologie ambientali , Il laboratorio di Sullivan ha catturato e analizzato per la prima volta l'aerosol organico secondario con l'AOT. È stato assistito da Neil Donahue, professore di chimica e ingegneria chimica, e Kyle Gorkowski, un ricercatore post-dottorato presso la McGill University che ha lavorato al suo dottorato di ricerca. sotto Sullivan e Donahue.

"È un materiale molto complesso, " Sullivan ha detto di lavorare con SOA, che hanno generato direttamente nella camera AOT dall'ozono reagendo con il vapore organico α-pinene, una molecola terpenica rilasciata dagli alberi. "Come risultato otterrai dozzine o centinaia di prodotti chimici diversi:è come una reazione a catena incontrollata con ogni tipo di ramificazione". Questa SOA è un componente importante del particolato atmosferico e l'approccio AOT fornisce un modo unico per studiarne direttamente le proprietà e la chimica.

Usando le loro particelle SOA pizzicate, Sullivan e i suoi collaboratori pubblicarono uno studio l'anno successivo sulla rivista Scienze ambientali:processi e impatti riportando il loro nuovo metodo per analizzare le proprietà e la morfologia delle particelle che si separano in due fasi chimiche separate basate sugli spettri Raman raccolti dall'AOT. Nella maggior parte dei casi la SOA ha formato una fase shell separata attorno a un'altra fase centrale, e la loro nuova analisi ha permesso loro di determinare le proprietà di entrambe le fasi mentre cambiano attraverso continue reazioni chimiche.

I risultati sono stati la prima conferma diretta di ciò che i ricercatori avevano sospettato sulle goccioline di SOA:che si sarebbero "separate in fase" nell'atmosfera, formando un nucleo di materiale organico acquoso o idrofobo circondato da un guscio di materiale organico secondario ossidato.

Comprendere l'esatta morfologia delle SOA è importante, Sullivan ha notato, perché ciò che è sulla superficie di una particella può determinare quanto facilmente reagisce con altri gas, vapore acqueo e luce nell'atmosfera. Per esempio, molti importanti gas traccia nell'atmosfera reagiscono molto più rapidamente con le fasi acquose che con il materiale organico.

"Se sono una molecola che vuole davvero reagire con l'acqua, e devo scavare e diffondere attraverso questo guscio organico, Potrei non raggiungere la fase acquosa con cui voglio reagire in tempo, "Spiegava Sullivan. Questi gusci organici possono quindi arrestare importanti reazioni gas-particelle.

In un nuovo studio pubblicato sulla rivista chimica , Sullivan, Donahue e Gorkowski hanno ricostruito gli esperimenti alla base del lavoro del team del 2018 mostrando la separazione di fase della SOA ma in condizioni diverse.

"Volevamo vedere se le conclusioni che avevamo tratto sulla separazione di fase e sulla morfologia per l'aerosol organico secondario a umidità relativa più elevata tenuto a umidità relativa più bassa quando c'è meno vapore acqueo intorno, " Sullivan ha detto. "E lo fanno."

Per di più, lo studio raccoglie risultati e osservazioni da ricerche precedenti per costruire una formula predittiva per quando si verificherebbe una separazione di fase quando diversi materiali organici vengono ossidati in condizioni diverse, e quale sarebbe la morfologia di quella particella complessa risultante a fase separata, inclusa la SOA. Sullivan ritiene che questa nuova intuizione possa essere incorporata negli attuali modelli chimici che prevedono il comportamento e l'evoluzione delle particelle atmosferiche su scala globale.

In un altro nuovo studio, Sullivan, Gorkowski, e Hallie Boyer, un assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università del North Dakota ed ex ricercatore post-dottorato alla Carnegie Mellon, ha sviluppato una tecnica per misurare con precisione il pH delle goccioline con pinzette per determinarne l'acidità. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Chimica analitica .

"Il pH delle goccioline è un'enorme questione aperta nella chimica atmosferica delle particelle perché l'acidità è una proprietà fondamentale per essenzialmente tutti i comportamenti chimici, " ha detto Sullivan. La proprietà non può solo influenzare come e se si verificano reazioni tra particelle diverse, ma può anche determinare se una particella finisce per diventare separata in fase o meno.

Sebbene la determinazione del pH non sia un processo difficile in circostanze normali, misurarlo direttamente da particelle di aerosol di picolitri sospese ha sfidato per decenni la comunità della chimica atmosferica, ha notato Sullivan. In particolare, l'elevata concentrazione di ioni nelle particelle atmosferiche porta gli ioni ad interagire tra loro più che nella maggior parte delle sostanze, producendo interazioni chimiche "non ideali" che possono alterare significativamente l'acidità della gocciolina.

Combinando due diverse informazioni determinate in modo univoco dagli spettri vibrazionali Raman delle particelle, il team è stato in grado di sviluppare una tecnica per superare queste sfide e misurare il pH di ogni goccia direttamente con elevata precisione. Inoltre, sono stati in grado di monitorare i cambiamenti nel pH della gocciolina. Nei prossimi lavori, dimostrano anche la capacità di osservare i cambiamenti nel pH sia del nucleo che del guscio delle particelle separate in fase in modo indipendente nel tempo.

Con tutti gli strumenti ora a disposizione, Sullivan non vede l'ora di basarsi su tutto questo lavoro di tweezing ottico dell'aerosol utilizzando la tecnica per studiare un'ampia varietà di particelle e interazioni chimiche nell'atmosfera terrestre in modo realistico.

"Le pinzette ottiche ci consentono per la prima volta di sondare direttamente l'evoluzione dinamica di tutte queste proprietà critiche delle particelle atmosferiche e il modo in cui si feedback l'una sull'altra mentre ogni particella continua ad evolversi, " ha detto Sullivan.