Dois estudos liderados por professores do Centro de Estudos de Partículas Atmosféricas da Carnegie Mellon University mostram como a pinça óptica de aerossol pode permitir que os cientistas examinem os componentes da atmosfera com nova precisão.

"O que isso nos permite fazer, realmente pela primeira vez, é sondar diretamente e entender como as partículas evoluem na atmosfera, "disse Ryan Sullivan, professor associado de química e engenharia mecânica, quem é o primeiro cientista na América do Norte a fazer uso da tecnologia de pinça óptica para estudar partículas de aerossol suspensas no ar.

As pinças ópticas aproveitam as pequenas forças exercidas pela luz para capturar e manipular delicadamente pequenas partículas ou gotículas. Arthur Ashkin ganhou o Prêmio Nobel de Física 2018 pelo desenvolvimento dessa técnica. Em pinça óptica de aerossol (AOT), partículas individuais são levitadas suavemente, ou "pinçada, "em um feixe de laser, enquanto um espectro vibracional Raman da partícula é coletado usando a mesma luz laser.

"Com outras técnicas, você meio que obtém um instantâneo estático da partícula, "Sullivan explicou. Mas com AOT, os pesquisadores podem observar a mesma partícula por horas enquanto ela muda em resposta a diferentes estímulos, que é uma maneira muito mais realista de observar como eles podem se comportar na atmosfera real.

"Partículas flutuam na atmosfera por pelo menos uma semana em média, "Sullivan disse." Eles são tão dinâmicos - sua composição e outras propriedades estão em constante evolução. "

Essa evolução pode resultar não apenas na mudança das partículas emitidas na atmosfera da Terra, mas em outros inteiramente novos que estão sendo formados. Aerossóis orgânicos secundários (SOAs) são moléculas formadas diretamente na atmosfera a partir da oxidação de moléculas orgânicas, como aqueles emitidos por árvores, veículos e produtos de consumo. Essas partículas são um componente importante, mas altamente variável da atmosfera e podem ter efeitos sobre a poluição, qualidade do ar, nuvens e clima, e saúde humana.

Em um estudo de 2017 na revista Ciência e Tecnologia Ambiental , O laboratório de Sullivan capturou e analisou aerossol orgânico secundário pela primeira vez com AOT. Ele foi assistido por Neil Donahue, professor de química e engenharia química, e Kyle Gorkowski, um pesquisador de pós-doutorado na Universidade McGill que trabalhou em seu doutorado. sob Sullivan e Donahue.

"É um material muito complexo, "Sullivan disse sobre trabalhar com SOA, que eles geraram diretamente na câmara AOT do ozônio reagindo com o vapor orgânico α-pineno, uma molécula de terpeno liberada por árvores. "Você obterá dezenas ou centenas de produtos químicos diferentes como resultado - é como uma reação em cadeia descontrolada com todos os tipos de ramificações." Este SOA é o principal componente do material particulado atmosférico e a abordagem AOT fornece uma maneira única de estudar diretamente suas propriedades e química.

Usando suas partículas SOA pinçadas, Sullivan e seus colaboradores publicaram um estudo no ano seguinte na revista Ciência Ambiental:Processos e Impactos relatando seu novo método para analisar as propriedades e morfologia das partículas que se separam em duas fases químicas separadas com base nos espectros Raman coletados do AOT. Na maioria dos casos, o SOA formou uma fase de shell separada em torno de outra fase central, e sua nova análise permitiu-lhes determinar as propriedades de ambas as fases à medida que mudam por meio de reações químicas contínuas.

Os resultados foram a primeira confirmação direta do que os pesquisadores suspeitavam sobre as gotículas de SOA - que elas se "separariam por fases" na atmosfera, formar um núcleo de material orgânico aquoso ou hidrofóbico rodeado por uma casca de material orgânico secundário oxidado.

Compreender a morfologia exata dos SOAs é importante, Sullivan observou, porque o que está na superfície de uma partícula pode determinar a facilidade com que ela reage com outros gases, vapor de água e luz na atmosfera. Por exemplo, muitos gases traço importantes na atmosfera reagem muito mais rapidamente com fases aquosas do que com material orgânico.

"Se eu sou uma molécula que realmente deseja reagir com a água, e eu tenho que cavar e me difundir através desta concha orgânica, Posso não alcançar a fase aquosa com a qual desejo reagir a tempo, "Sullivan explicou. Essas conchas orgânicas podem, assim, interromper importantes reações gás-partícula.

Em um novo estudo publicado na revista Chem , Sullivan, Donahue e Gorkowski refizeram os experimentos por trás do trabalho da equipe de 2018, mostrando a separação de fases de SOA, mas sob condições diferentes.

"Queríamos ver se as conclusões que tiramos sobre a separação de fases e morfologia do aerossol orgânico secundário em umidade relativa mais alta mantido em umidade relativa mais baixa quando há menos vapor de água ao redor, "Sullivan disse." E eles fazem. "

Além disso, o estudo compila resultados e observações de pesquisas anteriores para construir uma fórmula preditiva de quando uma separação de fases ocorreria quando diferentes materiais orgânicos são oxidados em diferentes condições, e qual seria a morfologia daquela partícula separada por fase complexa resultante incluindo SOA. Sullivan acredita que esse novo insight pode ser incorporado aos modelos químicos atuais que prevêem o comportamento e a evolução das partículas atmosféricas em escalas globais.

Em outro novo estudo, Sullivan, Gorkowski, e Hallie Boyer, professor assistente de engenharia mecânica na University of North Dakota e ex-pesquisador de pós-doutorado na Carnegie Mellon, desenvolveu uma técnica para medir com precisão o pH de gotículas pinçadas para determinar sua acidez. A pesquisa foi publicada na revista Química Analítica .

"O pH das gotículas é uma grande questão em aberto na química atmosférica das partículas porque a acidez é uma propriedade-chave para praticamente todos os comportamentos químicos, "Sullivan disse. A propriedade pode não só afetar como e se as reações ocorrem entre as diferentes partículas, mas também pode determinar se uma partícula acaba se tornando separada de fase ou não.

Embora determinar o pH não seja um processo difícil em circunstâncias normais, medi-lo diretamente de partículas de aerossol de picolitro em suspensão desafiou a comunidade química atmosférica por décadas, Sullivan observou. Em particular, a alta concentração de íons nas partículas atmosféricas faz com que os íons interajam mais uns com os outros do que na maioria das substâncias, produzindo interações químicas "não ideais" que podem alterar significativamente a acidez da gota.

Ao combinar duas informações diferentes exclusivamente determinadas a partir dos espectros vibracionais Raman das partículas, a equipe conseguiu desenvolver uma técnica para superar esses desafios e medir o pH de cada gota diretamente com alta precisão. Além disso, eles foram capazes de rastrear mudanças no pH da gota. Em trabalhos futuros, eles também demonstram a capacidade de observar mudanças no pH do núcleo e da casca de partículas separadas por fase de forma independente ao longo do tempo.

Com todas as ferramentas instaladas, Sullivan está ansioso para desenvolver todo esse trabalho de pinça óptica de aerossol usando a técnica para estudar uma ampla variedade de partículas e interações químicas na atmosfera da Terra de uma forma realista.

"As pinças ópticas nos permitem, pela primeira vez, sondar diretamente a evolução dinâmica de todas essas propriedades críticas das partículas atmosféricas e como elas se retroalimentam conforme cada partícula continua a evoluir, "Sullivan disse.