Föreställ dig en liten droppe. Den innehåller vatten, det brusande antiseptiska väteperoxiden, och en gemensam, gulaktig kemikalie som kallas glyoxal. När droppen utsätts för ljus, en kaskad av reaktioner inträffar, ta fram nya material. Dessa reaktioner sker på ytan, där vätska möter luft. Forskare hade inte många detaljer om reaktionerna förrän Dr. Xiao-Ying Yu från DOE:s Pacific Northwest National Laboratory och hennes kollegor antog utmaningen. De fick detaljerna med hjälp av en bildmasspektrometer som vanligtvis kokar bort vätskor i vakuum. De fann att reaktionerna inte slutar när ljuset bleknar. De såg också hur de resulterande produkterna blandades på ytan och reagerade med mer än 40 vattenkluster.

"Datormodeller kan spåra cirka 10 till 12 kluster, sa Yu, motsvarande författare på studien. "Vi observerade över 40 kluster i vätska. Vi kunde se hur de kemiska produkterna förändrar mikromiljön, skapa större vattenkluster."

Att möta efterfrågan på energi genom nya bränslen, energieffektivitet och kolbindning kräver att man vet hur material bildas för att, i tur och ordning, kontrollera den formationen och producera material med lådbilen och pipan. Denna studie ger insikter i hur kemiska byggstenar – glyoxal, vatten, och väteperoxid-kedja ihop, eller kärnbilda, att bilda material. Dessutom, verket ger insikter i kärnbildningsreaktioner som involverar glyoxal i luften. I atmosfären, dessa reaktioner leder till partiklar som påverkar molnbildning och klimat.

Många av stegen är kända för att använda glyoxal med väteperoxid för att bilda dikarboxylsyror och kolvätekedjor, kända som oligomerer. Dessa oligomerer är också utgångsmaterial för störande atmosfäriska aerosoler, känd som sekundära organiska aerosoler. Problemet var att inte alla steg var kända och att ett önskvärt instrument, sekundär jonmasspektrometri (SIMS), kunde inte användas för att spåra de bildade produkterna. Det var inte möjligt att använda SIMS på ett vätskeprov. Det är där SALVI kommer in. Formellt känt som System for Analysis at the Liquid Vacuum Interface, SALVI låter bildinstrument som SIMS studera vätskor som exponeras för luft. Med kombinationen SALVI och SIMS, forskaren kan följa reaktionerna i realtid och i en realistisk miljö.

Den kemiska kärnbildningsreaktionen kickstartas av ultraviolett ljus. Med SALVI, som är tillräckligt liten för att passa i handflatan på din hårda, placerad i SIMS, teamet undersökte vad som hände när kemikalierna fick ultraviolett ljus i upp till 8 timmar.

Men teamet ville också veta vad som hände när lamporna släcktes. De tittade på hur reaktionerna fortskred när de hölls i mörker i upp till 8 timmar. Olika reaktioner inträffade i mörker än i ljus. Förvånande, teamet fann att reaktionerna inte slutade när energikällan, ljuset, gjorde.

Använder SALVI i SIMS, ligger på DOE:s EMSL, teamet skapade också en kemisk rumslig karta över luft-vätska-gränssnittet. Det är, de identifierade kemikalierna och deras placering i små fördjupningar på vätskans yta. "I modeller, det är inte lätt att se vad som blandas på ytorna, " sa Yu. "Vi gav en glimt av vad som verkligen finns på ytan - eller blandningstillståndet som är viktigt för gränssnittsförändringar."

Som en extra bonus, SALVI lät teamet observera 43 till 44 vattenkluster i provet. Vanligtvis, beräkningsmodeller körs på superdatorer modell 10 till 12 vattenkluster. När man ser klustren, teamet bestämde hur de kemiska produkterna skapade en allt mer hydrofob yta som, i tur och ordning, tryckte ihop vattnet och skapade större vattenkluster. "SALVI är den enda tekniken som kan tillhandahålla molekylär kartläggning av vattenkluster och jonkluster i vätska enligt vår bästa kunskap, sa Yu.