Till de oinvigde, det bakre hörnet av ISC 1233 kan misstas som en moonshiner -stillbild. En serie plaströr korkskruv i en överdimensionerad glaskanna som vilar inuti en ventilerad huva. Men istället för att göra bootleg whisky, Rachel O'Brien odlar aerosoler.

"Detta är min aerosolgård, "O'Brien säger stolt, gest mot huven. "Eleverna tillverkar aerosolerna och vi samlar dem. Se, Jag har några små killar där inne. "

De små killarna är faktiskt nyligen präglade versioner av mycket utbredda komponenter i jordens atmosfär. Aerosoler skapas när fina fasta partiklar eller vätskedroppar hänger i luft eller annan gas. Damm, dis och rök är alla exempel på aerosoler. De spelar en viktig roll för att påverka luftkvaliteten och jordens klimat.

Den här sommaren, O'Brien, biträdande professor i kemi vid William &Mary, samarbetar med Nathan Kidwell, även biträdande professor i kemi. De två kemisterna har siktet inställt på brunt kol, en klass av organiska molekyler som främst beror på utsläpp av fossila bränslen och förbränning av biomassa.

Brunt kol absorberar synligt solljus, som har en övergripande uppvärmningseffekt på atmosfären. Faktiskt, brunt kol absorberar så hög synlig strålning att det klassificeras som en växthusgas.

"De är som atmosfäriska solskyddsmolekyler, "Kidwell sa." De absorberar ljus och kan ha värmande konsekvenser, men de kan också påverka atmosfärens kemi. "

För att ta reda på exakt hur brunt kol påverkar atmosfärens kemi, Kidwell och O'Brien planerar att använda exakt samma bruna kolprover och undersöka molekylerna i både gas- och kondensfasen för att modellera vad som händer i naturen. Duon fick nyligen bidrag från Jeffress Memorial Trust, som stöder tvärvetenskapliga projekt vid Virginia forskningsinstitutioner.

Det slutliga målet är att kunna visa hur förorenande ämnen bryts sönder med solljus, som både en gas- och en molndroppe. För att nå det målet krävs en stor grupp dedikerade studenter. Kidwells studentforskare är Naa-Kwarley Quartey '20, Sarah Chen '20, David Hood '21 och magisterkandidat K. Jacob Blackshaw. O'Briens studentforskare är Lydia Dolvin '20, Michael Ambrose '19, William Perrine '19, Corey Thrasher '21, Jacob Shusterman '19 och magisterkandidaten Emma Walhout.

Studenterna i O'Briens labb tillbringar sommaren med att skapa aerosoler, som de kommer att extrahera och blanda med en kombination av bruna kolmolekyler och molnvatten. Målet är att göra och studera en syntetisk version av verkliga smutsiga moln.

"Mycket brunt kol kommer från föroreningar, så det kommer från förbränning och reaktioner som uppstår i städer, "Sade O'Brien." Det vi inte förstår är ödet för det, den livstid den har i atmosfären. I grundläggande termer, vi vill veta hur snabbt dessa saker förstörs av solljus och vad som händer när de förstörs. "

Kidwells laboratorium kommer att använda samma bruna kolprover för att studera hur molekylerna bryts ner när de utsätts för solljus. De arbetar också med att förstå de grundläggande egenskaperna hos bruna kolkromoforer, som ger upphov till de förbättrade ljusabsorberande egenskaperna hos aerosoler, han förklarade.

Deras verktygslåda innefattar en serie lasrar som är inställda för att efterlikna de exakta frekvenser som solen avger. För att få högsta möjliga noggrannhet, de zapar prover i gasfasen.

"Vi har dessa molekyler och vi vet att de sönderdelas i atmosfären, "Kidwell sa." När de absorberar synligt ljus, någonting händer. De kan bryta bindningar för att göra nya produkter - och dessa produkter kan fortsätta med ytterligare kemi. Det vi gör är att effektivt kartlägga vägarna för hur dessa molekyler bryts isär. "

Molekylerna bryts isär olika beroende på vilken fas de befinner sig i. När solljus träffar brunt kol i gasfasen, molekylerna absorberar solstrålningen och bildar radikaler, molekyler med en oparad elektron.

Radikaler är mycket reaktiva, när de ser ut att para ihop sig eller tappa sin extra elektron. Denna jakt på elektroner får radikaler att oxidera andra organiska molekyler i atmosfären ytterligare och skapa en kaskad av kemiska reaktioner.

"Hydroxylradikal är en stor vi tittar på, "sa Kidwell. Molekylen består av ett väte och en syreatom och är en av vår planets mest reaktiva molekyler. Faktum är att det brukar kallas "atmosfärens tvättmedel". "Det är så otroligt reaktivt att om det träffar en molekyl, det gör omedelbart en kemisk reaktion. "

Det finns gott om andra radikaler på Kidwells radar. Han fick nyligen finansiering från American Chemical Society Petroleum Research Fund för att karakterisera kemiska reaktioner som involverar kväveoxidradikaler och omgivande molekyler som syre.

"Denna kemi är viktig för dem som modellerar atmosfäriska och förbränningsprocesser, " han sa.

Medan brunt kol kan komma in i atmosfären som en gas, det stannar inte alltid så. Brunt kol löses ofta upp i molnvattendroppar, som flyttar den till vätska, även känd som den kondenserade fasen. Det är här O'Brien kommer in. Hon är specialiserad på aerosoler, en central komponent i moln.

"Varje moln i atmosfären, varje droppe av den har ett aerosolfrö, "O'Brien sa." Vi kärnar inte moln i atmosfären utan aerosoler, så att veta vilket material som bildas i molndroppar kan vara till hjälp. "

I den kondenserade fasen, brunt kol fäller solljus och värmer upp, som förångar molndroppar och driver sekundära reaktioner med annat kondenserat fasorganiskt material, O'Brien förklarade. Eftersom det finns mycket lite data om brunt kol i den kondenserade fasen, hon är tveksam till att göra förutsägelser om vilken typ av kemikalier som kommer att produceras när molekylen bryts ner med solljus.

"Jag säger till människor att jag gör syntes, men sanningen är att jag inte försöker kontrollera mina produkter, "O'Brien sa." Vi låter det bara riva. "

Att låta det riva har fungerat bra hittills. O'Brien börjar sitt första år på William &Mary och fick nyligen finansiering från National Science Foundation för sitt arbete med att para ihop aerosolmätningar med satellitdata. Hon ingår i ett internationellt team av forskare som arbetar med att integrera bilddata från rymden med luftkvalitetsdata på marken.

"Aerosoler är en viktig bidragsgivare till för tidig död världen över, "sa O'Brien." Problemet är att vi inte har mått på hur många det finns, särskilt på platser där det är verkligen viktigt att ha dessa mätningar. "

O'Brien kommer att analysera luftprover från hela världen i sitt labb, med hjälp av en nyinstallerad Orbitrap Mass Spectrometer. Instrumentet fångar joner och omvandlar sina signaler till ett masspektrum, som ger en detaljerad kemisk analys av vilka molekyler provet innehåller.

Hongmin Yu, en stigande junior och kemi, är en av O'Briens främsta samarbetspartners i projektet. Hon tillbringar sin sommar med att kamma igenom data som produceras av masspektrometern. Yu växte upp i Shanghai och bevittnade på egen hand effekterna av luftföroreningar på miljön. När hon skrev in sig på William &Mary, hon visste att hon ville fokusera på atmosfärisk vetenskap.

"Det arbete vi gör här är oerhört viktigt, "Sa Yu." Det är avgörande inte bara för oss, men för de kommande generationerna. Det jag gör är meningsfullt, inte bara för vetenskapen, men för mänskligheten. "