Genom att vara den första att helt spåra den förändrade kemin hos kolmolekyler i luften, en Virginia Tech-professor kan förändra hur vi studerar föroreningar, smog, och utsläpp till atmosfären.

Gabriel Isaacman-VanWertz, ledande forskare på en ny studie publicerad i Naturkemi och biträdande professor vid Virginia Techs avdelning för civil- och miljöteknik, har etablerat en metod för att spåra reaktioner mellan luft och kolbaserade föreningar – en bedrift som tidigare varit svårfångad för forskare.

Detta nya fynd kan göra det möjligt för forskare att studera föroreningar, smog, och dis på ett heltäckande sätt, uppbackad av data som korrekt visar en förenings beteende över tid.

"Det finns tiotusentals olika föreningar i atmosfären, " Sa Isaacman-VanWertz. "I allmänhet, Fokus för mitt arbete är att studera kemin i hur dessa tiotusentals föreningar interagerar med varandra och förändras med tiden."

När en viss förening förs in i atmosfären, det reagerar kemiskt och bildar andra föreningar och molekyler med tiden, förklarar Isaacman-VanWertz, som började denna forskning som postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology med studiens medförfattare Jesse Kroll.

Isaacman-VanWertz är särskilt fokuserad på att studera hur atmosfären interagerar med organiska föreningar - de kolhaltiga föreningarna som utgör allt levande. Stora mängder av dessa föreningar släpps ut från naturliga källor och mänskliga aktiviteter.

Allt med en doft avger organiska föreningar:citrus, vinäger, Nagellacks bortagning, och bensin, till exempel. När dessa emitterade föreningar väl kommer in i atmosfären, de förändras på komplexa sätt för att bilda hundratals eller tusentals andra föreningar.

Tidigare, att spåra hur kolet förändras när det väl kommer in i atmosfären har varit en utmaning. Tack vare verktyg som utvecklats under det senaste decenniet, denna studie fann att fullständig mätning av kol i atmosfären nu är möjlig, även om det fortfarande kräver state-of-the-art instrument och noggrann analys.

För detta projekt, Isaacman-VanWertz studerade doften av tall, som är gjord av en organisk förening som kallas pinen.

Isaacman-VanWertz och hans medarbetare vid MIT använde fem spektrometrar - avancerad utrustning som klassificerar kemikalier efter deras massor och atomerna de innehåller - för att mäta egenskaperna hos kol inuti en teflonpåse höjden av en person i en klimatkontrollerad, blacklight-utrustat rum.

När de tände de svarta ljusen, det var som att tända solen, Sa Isaacman-VanWertz. Ljuset från "solen" sporrade kemin av pinen inuti kammaren och simulerade reaktionerna som skulle inträffa i atmosfären.

Varje spektrometer hade till uppgift att samla in en viss uppsättning data under hela reaktionen, som att spåra specifika intervall av kemiska föreningar. En av de svåraste delarna av detta experiment var att sätta alla dessa mätningar på samma skala, Sa Isaacman-VanWertz. Att förstå de specifika detaljerna och måtten för varje instrument kan vara så komplicerat, han sa, det finns doktorander som skriver hela avhandlingar om dessa ämnen.

Isaacman-VanWertz och hans medarbetare kunde, för första gången, spåra helt kolet i pinenmolekylerna från början till slut när de genomgick kemiska förändringar som de skulle göra i atmosfären. Kolatomerna i pinen försvinner inte efter deras första introduktion till atmosfären – de förvandlas till hundratals olika föreningar genom en kaskad av kemiska reaktioner.

Även om den initiala blandningen av föreningar som bildas från reaktioner av pinen är mycket komplex, allt kol befanns hamna i "reservoarer" som är relativt stabila och inte kommer att reagera vidare i atmosfären.

Vad mer, processen är sannolikt liknande för andra kolbaserade föreningar. Isaacman-VanWertz plockade pinen eftersom det har studerats omfattande, så att han kunde använda tidigare arbete för att förstå sina observationer.

Även om pinen avges naturligt, dess beteende är tillräckligt jämförbart för att bättre kunna förutse hur andra föreningar, som de i föroreningar, smog, och dis, kommer att reagera i luften. Att förstå detta hjälper "måla en stor bild av atmosfären, " Sa Isaacman-VanWertz.

Till exempel, dessa resultat kommer att hjälpa andra forskare att förstå hur föroreningar från ett kraftverk kan förändras i atmosfären och påverka ett samhälle i medvind.

"Om du kan förstå hur kemin händer, då kan du förstå vilka typer av föroreningar som kommer att finnas i atmosfären baserat på hur långt från en förorenande källa du är, " förklarade Isaacman-VanWertz.

Isaacman-VanWertz hoppas att andra forskare kommer att bygga vidare på resultaten av denna studie. Han vill veta om tendensen hos emitterade föreningar att sluta som långlivade atmosfäriska komponenter är allmänt tillämpbar på andra föreningar och hur denna process kan samexistera eller konkurrera med andra processer som sker i atmosfären.