Per i non iniziati, l'angolo posteriore di ISC 1233 potrebbe essere scambiato per un alambicco di un chiaro di luna. Una serie di tubi di plastica si avvitano in una brocca di vetro sovradimensionata che riposa all'interno di una cappa ventilata. Ma invece di fare whisky di contrabbando, Rachel O'Brien sta coltivando aerosol.

"Questa è la mia fattoria di aerosol, "O'Brien dice con orgoglio, indicando il cappuccio. "Gli studenti stanno preparando gli aerosol e noi li raccogliamo. Vedete, Ho dei ragazzini lì dentro".

I ragazzini sono in realtà versioni appena coniate di componenti altamente prevalenti dell'atmosfera terrestre. Gli aerosol vengono creati quando particelle solide fini o goccioline di liquido sono sospese nell'aria o in un altro gas. Polvere, foschia e fumo sono tutti esempi di aerosol. Svolgono un ruolo fondamentale nell'influenzare la qualità dell'aria e il clima della Terra.

Quest'estate, O'Brien, assistente professore di chimica presso William &Mary, sta collaborando con Nathan Kidwell, anche un assistente professore di chimica. I due chimici hanno messo gli occhi sul carbonio marrone, una classe di molecole organiche che derivano principalmente dalle emissioni di combustibili fossili e dalla combustione di biomassa.

Il carbonio marrone assorbe la luce solare visibile, che ha un effetto di riscaldamento generale sull'atmosfera. Infatti, il carbonio marrone assorbe un livello così alto di radiazioni visibili da essere classificato come un gas serra.

"Sono come molecole di protezione solare atmosferica, "Ha detto Kidwell. "Assorbono la luce e possono avere implicazioni sul riscaldamento, ma possono anche avere un impatto sulla chimica dell'atmosfera".

Per capire esattamente come il carbonio marrone influisca sulla chimica dell'atmosfera, Kidwell e O'Brien hanno in programma di utilizzare esattamente gli stessi campioni di carbonio marrone ed esaminare le molecole sia nella fase gassosa che in quella condensata per modellare ciò che accade in natura. Il duo ha recentemente ricevuto una borsa di studio dal Jeffress Memorial Trust, che sostiene progetti interdisciplinari presso gli istituti di ricerca della Virginia.

L'obiettivo finale è quello di essere in grado di mostrare come l'inquinante si rompe con la luce solare, sia come un gas che come una goccia di nuvola. Raggiungere questo obiettivo richiede un gruppo considerevole di studenti dedicati. Gli studenti ricercatori di Kidwell sono Naa-Kwarley Quartey '20, Sarah Chen '20, David Hood '21 e il candidato al master K. Jacob Blackshaw. Gli studenti ricercatori di O'Brien sono Lydia Dolvin '20, Michele Ambrogio '19, William Perrine '19, Corey Thrasher '21, Jacob Shusterman '19 e la candidata al master Emma Walhout.

Gli studenti del laboratorio di O'Brien trascorrono l'estate creando aerosol, che estrarranno e mescoleranno con una combinazione di molecole di carbonio marrone e acqua nuvolosa. L'obiettivo è creare e studiare una versione sintetica delle nuvole sporche del mondo reale.

"Molto carbonio marrone proviene da sostanze inquinanti, quindi viene dalla combustione e dalle reazioni che si verificano nelle città, " O'Brien ha detto. "Quello che non capiamo è il destino di esso, la vita che ha nell'atmosfera. In termini di base, vogliamo sapere quanto velocemente queste cose vengono distrutte dalla luce del sole e cosa succede quando vengono distrutte".

Il laboratorio di Kidwell utilizzerà gli stessi campioni di carbonio marrone per studiare come le molecole si decompongono quando vengono esposte alla luce solare. Stanno anche lavorando per comprendere le proprietà fondamentali dei cromofori del carbonio marrone, che danno origine alle migliorate proprietà di assorbimento della luce degli aerosol, Lui ha spiegato.

Il loro toolkit prevede una serie di laser sintonizzati per imitare le frequenze esatte emesse dal sole. Per ottenere la massima precisione possibile, zappano i campioni in fase gassosa.

"Abbiamo queste molecole e sappiamo che si decompongono nell'atmosfera, " ha detto Kidwell. "Quando assorbono la luce visibile, qualcosa accade. Possono rompere i legami per creare nuovi prodotti e quei prodotti possono continuare a fare ulteriore chimica. Quello che stiamo facendo è mappare efficacemente i percorsi di come queste molecole si rompono".

Le molecole si rompono in modo diverso a seconda della fase in cui si trovano. Quando la luce solare colpisce il carbonio marrone nella fase gassosa, le molecole assorbono la radiazione solare e formano radicali, molecole con un elettrone spaiato.

I radicali sono altamente reattivi, mentre cercano di accoppiarsi o perdere il loro elettrone in più. Quella caccia al tesoro di elettroni porta i radicali a ossidare ulteriormente altre molecole organiche nell'atmosfera e creare una cascata di reazioni chimiche.

"Il radicale idrossilico è uno dei più grandi che stiamo cercando, " ha detto Kidwell. La molecola è composta da un atomo di idrogeno e un atomo di ossigeno ed è una delle molecole più reattive del nostro pianeta. Infatti, è comunemente indicato come il "detergente dell'atmosfera". "È così incredibilmente reattivo che se colpisce una molecola, fa istantaneamente una reazione chimica."

Ci sono molti altri radicali sul radar di Kidwell. Recentemente ha ricevuto finanziamenti dall'American Chemical Society Petroleum Research Fund per caratterizzare le reazioni chimiche che coinvolgono radicali di ossido nitrico e molecole ambientali come l'ossigeno.

"Questa chimica è importante per coloro che modellano i processi atmosferici e di combustione, " Egli ha detto.

Mentre il carbonio bruno può entrare nell'atmosfera sotto forma di gas, non rimane sempre così. Il carbonio marrone è spesso disciolto in goccioline d'acqua della nuvola, che lo trasforma in liquido, detta anche fase condensata. È qui che entra in gioco O'Brien. È specializzata in aerosol, un componente centrale nelle nuvole.

"Ogni nuvola nell'atmosfera, ogni sua gocciolina ha un seme di aerosol, " O'Brien ha detto. "Noi non nucleiamo le nuvole nell'atmosfera senza gli aerosol, quindi sapere quali forme di materiale nelle goccioline di nuvole può essere utile."

Nella fase condensata, il carbone marrone intrappola la luce del sole e si riscalda, che evapora le goccioline di nube e guida reazioni secondarie con altro materiale organico in fase condensata, O'Brien ha spiegato. Poiché ci sono pochissimi dati sul carbonio bruno nella fase condensata, è riluttante a fare previsioni su che tipo di sostanze chimiche verranno prodotte quando la molecola si decompone con la luce solare.

"Dico alla gente che faccio sintesi, ma la verità è che non cerco di controllare i miei prodotti, " O'Brien ha detto. "Abbiamo appena lasciato strappare."

Lasciarlo strappare ha funzionato bene finora. O'Brien sta per iniziare il suo primo anno alla William &Mary e ha recentemente ricevuto finanziamenti dalla National Science Foundation per il suo lavoro di associazione delle misurazioni degli aerosol con i dati satellitari. Fa parte di un team internazionale di ricercatori che lavorano per integrare i dati di immagine dallo spazio con i dati sulla qualità dell'aria a terra.

"Gli aerosol sono una delle principali cause di morte prematura in tutto il mondo, " ha detto O'Brien. "Il problema è che non abbiamo misurazioni di quanti ce ne sono, soprattutto in luoghi in cui è davvero importante avere quelle misurazioni".

O'Brien analizzerà campioni d'aria da tutto il mondo all'interno del suo laboratorio, con l'aiuto di uno spettrometro di massa Orbitrap appena installato. Lo strumento intrappola gli ioni e converte i loro segnali in uno spettro di massa, che fornisce un'analisi chimica dettagliata di quali molecole contiene il campione.

Hongmin Yu, una laurea in ascesa e una specializzazione in chimica, è uno dei principali collaboratori di O'Brien al progetto. Sta trascorrendo l'estate a setacciare i dati prodotti dallo spettrometro di massa. Yu è cresciuto a Shanghai e ha assistito in prima persona agli effetti dell'inquinamento atmosferico sull'ambiente. Quando si iscrisse a William &Mary, sapeva che voleva concentrarsi sulla scienza dell'atmosfera.

"Il lavoro che stiamo facendo qui è estremamente importante, " Yu ha detto. "È fondamentale non solo per noi, ma per le prossime generazioni. Quello che sto facendo è significativo, non solo per la scienza, ma per l'umanità».