Deux études menées par des professeurs du Center for Atmospheric Particle Studies de l'Université Carnegie Mellon montrent comment la pince optique des aérosols peut permettre aux scientifiques d'examiner les composants de l'atmosphère avec une nouvelle précision.

"Ce que cela nous permet de faire, vraiment pour la première fois, est de sonder directement et de comprendre comment les particules évoluent dans l'atmosphère, " a déclaré Ryan Sullivan, professeur agrégé de chimie et de génie mécanique, qui est le premier scientifique en Amérique du Nord à utiliser la technologie de la pince à épiler optique pour étudier les particules d'aérosol en suspension dans l'air.

Les pincettes optiques tirent parti des petites forces exercées par la lumière pour piéger et manipuler en douceur les petites particules ou gouttelettes. Arthur Ashkin a remporté le prix Nobel de physique 2018 pour le développement de cette technique. En pince à épiler optique en aérosol (AOT), les particules individuelles sont doucement en lévitation, ou "pincelé, " dans un rayon laser, tandis qu'un spectre de vibration Raman de la particule est collecté à l'aide de la même lumière laser.

"Avec d'autres techniques, vous obtenez en quelque sorte un instantané statique de la particule, " expliqua Sullivan. Mais avec AOT, les chercheurs peuvent observer la même particule pendant des heures alors qu'elle change en réponse à différents stimuli, ce qui est une façon beaucoup plus réaliste d'observer comment ils pourraient se comporter dans l'atmosphère réelle.

"Les particules flottent dans l'atmosphère pendant au moins une semaine en moyenne, " a déclaré Sullivan. " Ils sont si dynamiques - leur composition et leurs autres propriétés évoluent constamment. "

Cette évolution peut entraîner non seulement le changement des particules émises dans l'atmosphère par la Terre, mais dans de tout nouveaux qui sont en train de se former. Les aérosols organiques secondaires (AOS) sont des molécules formées directement dans l'atmosphère à partir de l'oxydation de molécules organiques, comme celles émises par les arbres, véhicules et produits de consommation. Ces particules sont une composante importante mais très variable de l'atmosphère et peuvent avoir des effets sur la pollution, qualité de l'air, nuages ​​et climat, et la santé humaine.

Dans une étude de 2017 dans la revue Sciences et technologies de l'environnement , Le laboratoire de Sullivan a capturé et analysé les aérosols organiques secondaires pour la première fois avec l'AOT. Il était assisté de Neil Donahue, professeur de chimie et de génie chimique, et Kyle Gorkowski, un chercheur postdoctoral à l'Université McGill qui a travaillé sur son doctorat. sous Sullivan et Donahue.

"C'est un matériau très complexe, " Sullivan a dit de travailler avec SOA, qu'ils ont généré directement dans la chambre AOT à partir de l'ozone réagissant avec la vapeur organique de α-pinène, une molécule de terpène libérée par les arbres. "Vous obtiendrez des dizaines ou des centaines de produits chimiques différents, c'est comme une réaction en chaîne qui s'emballe avec toutes sortes de ramifications." Cette SOA est un composant majeur de la matière particulaire atmosphérique et l'approche AOT offre un moyen unique d'étudier directement ses propriétés et sa chimie.

En utilisant leurs particules SOA tweezed, Sullivan et ses collaborateurs ont publié une étude l'année suivante dans la revue Sciences de l'environnement :processus et impacts rapportant leur nouvelle méthode pour analyser les propriétés et la morphologie des particules qui se séparent en deux phases chimiques distinctes sur la base des spectres Raman collectés auprès de l'AOT. Dans la plupart des cas, la SOA a formé une phase d'enveloppe distincte autour d'une autre phase de noyau, et leur nouvelle analyse leur a permis de déterminer les propriétés des deux phases à mesure qu'elles changent à travers des réactions chimiques continues.

Les résultats ont été la première confirmation directe de ce que les chercheurs avaient soupçonné au sujet des gouttelettes de SOA - qu'elles se "sépareraient" de phase dans l'atmosphère, former un noyau de matière organique aqueuse ou hydrophobe entouré d'une enveloppe de matière organique secondaire oxydée.

Comprendre la morphologie exacte des SOA est important, Sullivan a noté, car ce qu'il y a à la surface d'une particule peut déterminer la facilité avec laquelle elle réagit avec d'autres gaz, vapeur d'eau et lumière dans l'atmosphère. Par exemple, de nombreux gaz traces importants dans l'atmosphère réagissent beaucoup plus rapidement avec les phases aqueuses qu'avec les matières organiques.

"Si je suis une molécule qui veut vraiment réagir avec l'eau, et je dois creuser et diffuser à travers cette coquille organique, il se peut que je n'atteigne pas à temps la phase aqueuse avec laquelle je veux réagir, " a expliqué Sullivan. Ces coquilles organiques peuvent ainsi arrêter d'importantes réactions gaz-particules.

Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Chimie , Sullivan, Donahue et Gorkowski ont remis en scène les expériences derrière les travaux de l'équipe en 2018 montrant la séparation de phase de la SOA mais dans des conditions différentes.

« Nous voulions voir si les conclusions que nous avions tirées sur la séparation des phases et la morphologie des aérosols organiques secondaires à une humidité relative plus élevée sont maintenues à une humidité relative plus faible lorsqu'il y a moins de vapeur d'eau autour, " dit Sullivan. " Et ils le font. "

Par ailleurs, l'étude compile les résultats et les observations de recherches antérieures pour élaborer une formule prédictive du moment où une séparation de phase se produirait lorsque différentes matières organiques sont oxydées dans différentes conditions, et quelle serait la morphologie de cette particule complexe à phases séparées, y compris SOA. Sullivan pense que cette nouvelle idée peut être incorporée dans les modèles chimiques actuels qui prédisent le comportement et l'évolution des particules atmosphériques à l'échelle mondiale.

Dans une autre nouvelle étude, Sullivan, Gorkowski, et Hallie Boyer, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université du Dakota du Nord et ancien chercheur postdoctoral à Carnegie Mellon, a développé une technique pour mesurer avec précision le pH des gouttelettes pincées afin de déterminer leur acidité. La recherche a été publiée dans la revue Chimie analytique .

"Le pH des gouttelettes est une énorme question ouverte dans la chimie atmosphérique des particules, car l'acidité est une propriété clé pour pratiquement tous les comportements chimiques, " a déclaré Sullivan. La propriété peut non seulement affecter comment et si des réactions se produisent entre différentes particules, mais il peut aussi déterminer si une particule finit par se séparer ou non.

Bien que la détermination du pH ne soit pas un processus difficile dans des circonstances normales, le mesurer directement à partir de particules d'aérosol picolitres en suspension a mis au défi la communauté de la chimie atmosphérique pendant des décennies, a noté Sullivan. En particulier, la forte concentration d'ions dans les particules atmosphériques conduit les ions à interagir les uns avec les autres plus que dans la plupart des substances, produisant des interactions chimiques « non idéales » qui peuvent altérer considérablement l'acidité de la gouttelette.

En combinant deux informations différentes déterminées de manière unique à partir des spectres de vibration Raman des particules, l'équipe a pu développer une technique pour surmonter ces défis et mesurer le pH de chaque gouttelette directement avec une grande précision. En outre, ils ont pu suivre les changements dans le pH de la gouttelette. Dans les travaux à venir, ils démontrent également la capacité d'observer les changements du pH à la fois du noyau et de l'enveloppe des particules à phases séparées de manière indépendante au fil du temps.

Avec tous les outils maintenant en place, Sullivan est impatient de s'appuyer sur tout ce travail de pincement optique des aérosols en utilisant la technique pour étudier une grande variété de particules et d'interactions chimiques dans l'atmosphère terrestre de manière réaliste.

"Les pincettes optiques nous permettent pour la première fois de sonder directement l'évolution dynamique de toutes ces propriétés critiques des particules atmosphériques et la façon dont elles se répercutent les unes sur les autres à mesure que chaque particule continue d'évoluer, " a déclaré Sullivan.