Två studier ledda av fakulteten vid Carnegie Mellon Universitys Center for Atmospheric Particle Studies visar hur aerosoloptisk pincett kan tillåta forskare att granska atmosfärens komponenter med ny precision.

"Vad detta tillåter oss att göra, verkligen för första gången, är direkt undersöka och förstå hur partiklar utvecklas i atmosfären, sa Ryan Sullivan, docent i kemi och maskinteknik, som är den första forskaren i Nordamerika som använder sig av optisk pincettteknologi för att studera aerosolpartiklar suspenderade i luft.

Optisk pincett drar fördel av de små krafter som utövas av ljus för att fånga och försiktigt manipulera små partiklar eller droppar. Arthur Ashkin vann Nobelpriset i fysik 2018 för att ha utvecklat denna teknik. I aerosol optisk pincett (AOT), enskilda partiklar svävar försiktigt, eller "tweezed, "i en laserstråle, medan ett Raman-vibrationsspektrum av partikeln samlas in med samma laserljus.

"Med andra tekniker, du får typ en statisk ögonblicksbild av partikeln, ", förklarade Sullivan. Men med AOT, forskare kan titta på samma partikel i timmar när den förändras som svar på olika stimuli, vilket är ett mycket mer realistiskt sätt att observera hur de kan bete sig i den verkliga atmosfären.

"Partiklar flyter runt i atmosfären i minst en vecka i genomsnitt, " Sa Sullivan. "De är så dynamiska - deras sammansättning och andra egenskaper utvecklas ständigt."

Den evolutionen kan inte bara resultera i att partiklar som släpps ut i atmosfären från jorden förändras, men i helt nya som håller på att bildas. Sekundära organiska aerosoler (SOA) är molekyler som bildas direkt i atmosfären från oxidation av organiska molekyler, som de som släpps ut av träd, fordon och konsumentprodukter. Dessa partiklar är en viktig men mycket varierande komponent i atmosfären och kan ha effekter på föroreningar, luftkvalitet, moln och klimat, och människors hälsa.

I en studie från 2017 i tidskriften Miljövetenskap och teknik , Sullivans labb fångade och analyserade sekundär organisk aerosol för första gången med AOT. Han fick hjälp av Neil Donahue, professor i kemi och kemiteknik, och Kyle Gorkowski, en postdoktor vid McGill University som arbetade med sin Ph.D. under Sullivan och Donahue.

"Det är väldigt komplext material, " Sullivan sa om att arbeta med SOA, som de genererade direkt i AOT-kammaren från ozon som reagerar med den organiska ångan α-pinen, en terpenmolekyl som frigörs av träd. "Du kommer att få dussintals eller hundratals olika kemiska produkter som ett resultat - det är som en skenande kedjereaktion med alla möjliga förgreningar." Denna SOA är en viktig komponent i atmosfäriska partiklar och AOT-metoden ger ett unikt sätt att direkt studera dess egenskaper och kemi.

Med hjälp av sina pincett SOA-partiklar, Sullivan och hans medarbetare publicerade en studie året därpå i tidskriften Miljövetenskap:Processer och effekter rapporterar sin nya metod för att analysera egenskaperna och morfologin hos partiklar som separeras i två separata kemiska faser baserat på Raman-spektra som samlats in från AOT. I de flesta fall bildade SOA en separat skalfas runt en annan kärnfas, och deras nya analys gjorde det möjligt för dem att bestämma egenskaperna för båda faserna när de förändras genom fortsatta kemiska reaktioner.

Resultaten var den första direkta bekräftelsen på vad forskare hade misstänkt om SOA-droppar - att de skulle "fassepareras" i atmosfären, bildar en kärna av vattenhaltigt eller hydrofobt organiskt material omgivet av ett skal av oxiderat sekundärt organiskt material.

Att förstå den exakta morfologin hos SOA är viktigt, Sullivan noterade, eftersom det som finns på ytan av en partikel kan avgöra hur lätt den reagerar med andra gaser, vattenånga och ljus i atmosfären. Till exempel, många viktiga spårgaser i atmosfären reagerar mycket snabbare med vattenhaltiga faser än med organiskt material.

"Om jag är en molekyl som verkligen vill reagera med vatten, och jag måste gräva och diffundera genom detta organiska skal, Jag kanske inte når den vattenhaltiga fasen som jag vill reagera med i tid, ", förklarade Sullivan. Dessa organiska skal kan därmed stänga av viktiga gas-partikelreaktioner.

I en ny studie publicerad i tidskriften Chem , Sullivan, Donahue och Gorkowski omarbetade experimenten bakom teamets arbete 2018 som visade fasseparation av SOA men under andra förhållanden.

"Vi ville se om slutsatserna vi hade dragit om fasseparation och morfologi för sekundär organisk aerosol vid högre relativ luftfuktighet hålls vid lägre relativ fuktighet när det finns mindre vattenånga runt, "Sa Sullivan. "Och det gör de."

Vidare, studien sammanställer resultat och observationer från tidigare forskning för att bygga en prediktiv formel för när en fasseparation skulle inträffa när olika organiska material oxideras under olika förhållanden, och vad morfologin för den resulterande komplexa fasseparerade partikeln inklusive SOA skulle vara. Sullivan tror att denna nya insikt kan införlivas i nuvarande kemiska modeller som förutsäger beteendet och utvecklingen av atmosfäriska partiklar över globala skalor.

I en annan ny studie, Sullivan, Gorkowski, och Hallie Boyer, en biträdande professor i maskinteknik vid University of North Dakota och tidigare postdoktor vid Carnegie Mellon, utvecklat en teknik för att noggrant mäta pH-värdet hos tvåsade droppar för att bestämma deras surhet. Forskningen publicerades i tidskriften Analytisk kemi .

"Droppars pH är en stor öppen fråga i partiklarnas atmosfäriska kemi eftersom surhet är en sådan nyckelegenskap för i princip allt kemiskt beteende, ", sa Sullivan. Egenskapen kan inte bara påverka hur och om reaktioner uppstår mellan olika partiklar, men det kan också avgöra om en partikel slutar med att bli fasseparerad eller inte.

Även om bestämning av pH inte är en svår process under normala omständigheter, att mäta det direkt från suspenderade picoliteraerosolpartiklar har utmanat atmosfärskemisamhället i årtionden, Sullivan noterade. Särskilt, den höga koncentrationen av joner i atmosfäriska partiklar leder till att jonerna interagerar med varandra mer än i de flesta ämnen, producerar "icke-ideala" kemiska interaktioner som avsevärt kan förändra droppens surhet.

Genom att kombinera två olika delar av information unikt bestämt från Raman vibrationsspektra av partiklarna, teamet kunde utveckla en teknik för att övervinna dessa utmaningar och mäta pH för varje droppe direkt med hög noggrannhet. Dessutom, de kunde spåra förändringar i droppens pH. I kommande arbete, de visar också förmågan att observera förändringar i pH i både kärnan och skalet av fasseparerade partiklar oberoende över tiden.

Med alla verktyg nu på plats, Sullivan ser fram emot att bygga vidare på allt detta aerosoloptiska pincettarbete genom att använda tekniken för att studera en mängd olika partiklar och kemiska interaktioner i jordens atmosfär på ett realistiskt sätt.

"Den optiska pincetten tillåter oss att för första gången direkt undersöka den dynamiska utvecklingen av alla dessa kritiska egenskaper hos atmosfäriska partiklar och hur de återkopplar till varandra när varje partikel fortsätter att utvecklas, " sa Sullivan.