Para os não iniciados, o canto posterior do ISC 1233 pode ser confundido com uma destilaria de moonshiner. Uma série de tubos de plástico se enroscam em uma jarra de vidro grande dentro de uma coifa ventilada. Mas em vez de fazer uísque pirata, Rachel O'Brien está cultivando aerossóis.

"Esta é a minha fazenda de aerossol, "O'Brien diz com orgulho, gesticulando em direção ao capô. "Os alunos estão fazendo os aerossóis e estamos coletando-os. Veja, Eu tenho alguns caras lá dentro. "

Os pequenos são, na verdade, versões recém-cunhadas de componentes altamente prevalentes da atmosfera da Terra. Aerossóis são criados quando partículas sólidas finas ou gotículas de líquido são suspensas no ar ou outro gás. Pó, névoa e fumaça são exemplos de aerossóis. Eles desempenham um papel vital em influenciar a qualidade do ar e o clima da Terra.

Este Verão, O'Brien, professor assistente de química na William &Mary, está se juntando a Nathan Kidwell, também professor assistente de química. Os dois químicos estão de olho no carbono marrom, uma classe de moléculas orgânicas que resultam principalmente de emissões de combustíveis fósseis e queima de biomassa.

O carbono marrom absorve a luz solar visível, que tem um efeito geral de aquecimento na atmosfera. Na verdade, o carbono marrom absorve um nível tão alto de radiação visível que é classificado como um gás de efeito estufa.

"Eles são como moléculas de filtro solar atmosférico, "Kidwell disse." Eles absorvem luz e podem ter implicações no aquecimento, mas também podem afetar a química da atmosfera. "

Para descobrir exatamente como o carbono marrom afeta a química da atmosfera, Kidwell e O'Brien planejam usar exatamente as mesmas amostras de carbono marrom e examinar as moléculas na fase gasosa e condensada para modelar o que acontece na natureza. A dupla recebeu recentemente uma bolsa do Jeffress Memorial Trust, que apóia projetos interdisciplinares em instituições de pesquisa da Virgínia.

O objetivo final é ser capaz de mostrar como o poluente se separa com a luz do sol, como um gás e uma gota de nuvem. Alcançar essa meta requer um grupo considerável de alunos dedicados. Os alunos pesquisadores de Kidwell são Naa-Kwarley Quartey '20, Sarah Chen '20, David Hood '21 e o candidato a mestrado K. Jacob Blackshaw. Os alunos pesquisadores de O'Brien são Lydia Dolvin '20, Michael Ambrose '19, William Perrine '19, Corey Thrasher '21, Jacob Shusterman '19 e a candidata a mestrado Emma Walhout.

Os alunos do laboratório de O'Brien estão passando o verão criando aerossóis, que eles irão extrair e misturar com uma combinação de moléculas de carbono marrom e água turva. O objetivo é fazer e estudar uma versão sintética de nuvens sujas do mundo real.

"Muito carbono marrom vem de poluentes, então vem da combustão e das reações que ocorrem nas cidades, "O'Brien disse." O que não entendemos é o destino disso, a vida que tem na atmosfera. Em termos básicos, queremos saber com que rapidez essas coisas são destruídas pela luz do sol e o que acontece quando elas são destruídas. "

O laboratório de Kidwell usará as mesmas amostras de carbono marrom para estudar como as moléculas se quebram quando expostas à luz solar. Eles também estão trabalhando para entender as propriedades fundamentais dos cromóforos de carbono marrom, que dão origem às propriedades aprimoradas de absorção de luz dos aerossóis, ele explicou.

Seu kit de ferramentas envolve uma série de lasers ajustados para imitar as frequências exatas emitidas pelo sol. Para obter a maior precisão possível, eles zap amostras na fase gasosa.

“Temos essas moléculas e sabemos que elas se decompõem na atmosfera, "Kidwell disse." Quando eles absorvem a luz visível, algo aconteceu. Eles podem quebrar laços para fazer novos produtos - e esses produtos podem continuar a fazer química. O que estamos fazendo é mapear efetivamente as rotas de como essas moléculas se separam. "

As moléculas se separam de maneira diferente, dependendo da fase em que se encontram. Quando a luz do sol atinge o carbono marrom na fase gasosa, as moléculas absorvem a radiação solar e formam radicais, moléculas com um elétron desemparelhado.

Os radicais são altamente reativos, enquanto procuram emparelhar ou perder seu elétron extra. Essa caça ao elétron leva os radicais a oxidar ainda mais outras moléculas orgânicas na atmosfera e criar uma cascata de reações químicas.

"O radical hidroxila é um dos grandes que estamos procurando, "disse Kidwell. A molécula consiste em um átomo de hidrogênio e um átomo de oxigênio e é uma das moléculas mais reativas do nosso planeta. Na verdade, é comumente referido como o "detergente da atmosfera". "É tão incrivelmente reativo que, se atingir uma molécula, faz instantaneamente uma reação química. "

Existem muitos outros radicais no radar de Kidwell. Recentemente, ele recebeu financiamento da American Chemical Society Petroleum Research Fund para caracterizar reações químicas envolvendo radicais de óxido nítrico e moléculas ambientais, como o oxigênio.

"Esta química é importante para modelar processos atmosféricos e de combustão, " ele disse.

Embora o carbono marrom possa entrar na atmosfera como um gás, nem sempre é assim. O carbono marrom é frequentemente dissolvido em gotículas de água da nuvem, que o move para o líquido, também conhecida como fase condensada. É aqui que entra O'Brien. Ela é especialista em aerossóis, um componente central nas nuvens.

"Cada nuvem na atmosfera, cada gota dele tem uma semente de aerossol, "O'Brien disse." Nós não nucleamos nuvens na atmosfera sem os aerossóis, portanto, saber quais formas materiais em gotículas de nuvem pode ser útil. "

Na fase condensada, o carbono marrom captura a luz do sol e aquece, que evapora gotículas de nuvem e conduz reações secundárias com outro material orgânico de fase condensada, O'Brien explicou. Uma vez que há muito poucos dados sobre o carbono marrom na fase condensada, ela hesita em fazer previsões sobre que tipo de produtos químicos serão produzidos à medida que a molécula se decompõe com a luz do sol.

"Eu digo às pessoas que faço síntese, mas a verdade é que não tento controlar meus produtos, "O'Brien disse." Nós apenas deixamos rasgar. "

Deixar rasgar tem funcionado bem até agora. O'Brien está chegando em seu primeiro ano na William &Mary e recentemente recebeu financiamento da National Science Foundation por seu trabalho emparelhar medições de aerossol com dados de satélite. Ela faz parte de uma equipe internacional de pesquisadores que trabalha para integrar dados de imagem do espaço com dados de qualidade do ar no solo.

"Os aerossóis são os principais contribuintes para a morte prematura em todo o mundo, "disse O'Brien." O problema é que não temos medidas de quantos existem, especialmente em locais onde é realmente importante ter essas medidas. "

O'Brien analisará amostras de ar de todo o mundo dentro de seu laboratório, com a ajuda de um espectrômetro de massa Orbitrap recém-instalado. O instrumento captura íons e converte seus sinais em um espectro de massa, que fornece uma análise química detalhada de quais moléculas a amostra contém.

Hongmin Yu, um estudante jovem e graduado em química, é um dos principais colaboradores de O'Brien no projeto. Ela está passando o verão vasculhando os dados produzidos pelo espectrômetro de massa. Yu cresceu em Xangai e testemunhou em primeira mão os efeitos da poluição do ar no meio ambiente. Quando ela se matriculou na William &Mary, ela sabia que queria se concentrar na ciência atmosférica.

"O trabalho que estamos fazendo aqui é extremamente importante, "Yu disse." É crucial não só para nós, mas para as próximas gerações. O que estou fazendo é significativo, não apenas para a ciência, mas para a humanidade. "