Aux non-initiés, le coin arrière de l'ISC 1233 pourrait être confondu avec l'alambic d'un moonshiner. Une série de tubes en plastique tire-bouchon dans une cruche en verre surdimensionnée reposant à l'intérieur d'une hotte ventilée. Mais au lieu de faire du whisky de contrebande, Rachel O'Brien cultive des aérosols.

"C'est ma ferme d'aérosols, " O'Brien dit fièrement, en faisant un geste vers le capot. "Les étudiants fabriquent les aérosols et nous les collectons. Voyez, J'ai des petits gars là-dedans."

Les petits gars sont en fait des versions fraîchement créées de composants très répandus de l'atmosphère terrestre. Les aérosols sont créés lorsque de fines particules solides ou des gouttelettes liquides sont en suspension dans l'air ou un autre gaz. Poussière, la brume et la fumée sont tous des exemples d'aérosols. Ils jouent un rôle vital en influençant la qualité de l'air et le climat de la Terre.

Cet été, O'Brien, professeur assistant de chimie à William &Mary, fait équipe avec Nathan Kidwell, également professeur adjoint de chimie. Les deux chimistes ont jeté leur dévolu sur le carbone brun, une classe de molécules organiques qui résultent principalement des émissions de combustibles fossiles et de la combustion de la biomasse.

Le carbone brun absorbe la lumière solaire visible, qui a un effet de réchauffement global sur l'atmosphère. En réalité, le carbone brun absorbe un niveau de rayonnement visible si élevé qu'il est classé comme gaz à effet de serre.

"Ce sont comme des molécules de crème solaire atmosphérique, " Kidwell a dit. " Ils absorbent la lumière et peuvent avoir des implications de réchauffement, mais ils peuvent aussi avoir un impact sur la chimie de l'atmosphère."

Pour comprendre exactement comment le carbone brun affecte la chimie de l'atmosphère, Kidwell et O'Brien prévoient d'utiliser exactement les mêmes échantillons de carbone brun et d'examiner les molécules à la fois en phase gazeuse et en phase condensée pour modéliser ce qui se passe dans la nature. Le duo a récemment reçu une bourse du Jeffress Memorial Trust, qui soutient des projets interdisciplinaires dans des instituts de recherche de Virginie.

Le but ultime est de pouvoir montrer comment le polluant se décompose avec la lumière du soleil, à la fois comme un gaz et une gouttelette de nuage. Atteindre cet objectif nécessite un groupe important d'étudiants dévoués. Les étudiants chercheurs de Kidwell sont Naa-Kwarley Quartey '20, Sarah Chen '20, David Hood '21 et le candidat à la maîtrise K. Jacob Blackshaw. Les étudiants chercheurs d'O'Brien sont Lydia Dolvin '20, Michael Ambrose '19, William Perrine '19, Corey Thrasher '21, Jacob Shusterman '19 et la candidate à la maîtrise Emma Walhout.

Les étudiants du laboratoire d'O'Brien passent l'été à créer des aérosols, qu'ils extrairont et mélangeront avec une combinaison de molécules de carbone brun et d'eau de nuage. L'objectif est de créer et d'étudier une version synthétique de nuages ​​sales du monde réel.

"Beaucoup de carbone brun provient de polluants, donc ça vient de la combustion et des réactions qui se produisent dans les villes, " dit O'Brien. " Ce que nous ne comprenons pas, c'est le sort de celui-ci, la durée de vie qu'il a dans l'atmosphère. En termes de base, nous voulons savoir à quelle vitesse ces choses sont détruites par la lumière du soleil et ce qui se passe quand elles sont détruites."

Le laboratoire de Kidwell utilisera les mêmes échantillons de carbone brun pour étudier comment les molécules se décomposent lorsqu'elles sont exposées à la lumière du soleil. Ils travaillent également à comprendre les propriétés fondamentales des chromophores de carbone brun, qui donnent lieu aux propriétés améliorées d'absorption de la lumière des aérosols, il expliqua.

Leur boîte à outils comprend une série de lasers réglés pour imiter les fréquences exactes émises par le soleil. Pour obtenir la plus grande précision possible, ils zapper les échantillons en phase gazeuse.

"Nous avons ces molécules et nous savons qu'elles se décomposent dans l'atmosphère, " Kidwell a dit. " Quand ils absorbent la lumière visible, quelque chose se passe. Ils peuvent rompre les liens pour fabriquer de nouveaux produits et ces produits peuvent continuer à faire de la chimie. Ce que nous faisons, c'est cartographier efficacement les voies de rupture de ces molécules. »

Les molécules se séparent différemment selon la phase dans laquelle elles se trouvent. Lorsque la lumière du soleil frappe le carbone brun en phase gazeuse, les molécules absorbent le rayonnement solaire et forment des radicaux, molécules avec un électron non apparié.

Les radicaux sont très réactifs, car ils cherchent à s'apparier ou à perdre leur électron supplémentaire. Cette chasse au capteur d'électrons conduit les radicaux à oxyder davantage d'autres molécules organiques dans l'atmosphère et à créer une cascade de réactions chimiques.

"Le radical hydroxyle est un gros problème que nous surveillons, " a déclaré Kidwell. La molécule se compose d'un atome d'hydrogène et d'un atome d'oxygène et est l'une des molécules les plus réactives de notre planète. En fait, il est communément appelé "le détergent de l'atmosphère". "C'est tellement incroyablement réactif que s'il heurte une molécule, il fait instantanément une réaction chimique."

Il y a beaucoup d'autres radicaux sur le radar de Kidwell. Il a récemment reçu un financement de l'American Chemical Society Petroleum Research Fund pour caractériser les réactions chimiques impliquant des radicaux d'oxyde nitrique et des molécules ambiantes telles que l'oxygène.

"Cette chimie est importante pour ceux qui modélisent les processus atmosphériques et de combustion, " il a dit.

Alors que le carbone brun peut entrer dans l'atmosphère sous forme de gaz, ça ne reste pas toujours comme ça. Le carbone brun est souvent dissous dans les gouttelettes d'eau des nuages, qui le transforme en liquide, également appelée phase condensée. C'est là qu'intervient O'Brien. Elle se spécialise dans les aérosols, un élément central des nuages.

"Chaque nuage dans l'atmosphère, chaque goutte de celui-ci a une graine d'aérosol, " O'Brien a déclaré. "Nous ne nucléons pas de nuages ​​dans l'atmosphère sans les aérosols, Il peut donc être utile de savoir quels matériaux se forment dans les gouttelettes de nuage."

Dans la phase condensée, le carbone brun emprisonne la lumière du soleil et se réchauffe, qui évapore les gouttelettes de nuage et entraîne des réactions secondaires avec d'autres matières organiques en phase condensée, O'Brien a expliqué. Comme il existe très peu de données sur le carbone brun en phase condensée, elle hésite à faire des prédictions sur le type de produits chimiques qui seront produits au fur et à mesure que la molécule se décompose avec la lumière du soleil.

"Je dis aux gens que je fais de la synthèse, mais la vérité est que je n'essaie pas de contrôler mes produits, " O'Brien a déclaré. "Nous l'avons juste laissé se déchirer."

Le laisser déchirer a bien fonctionné jusqu'à présent. O'Brien entame sa première année chez William &Mary et a récemment reçu un financement de la National Science Foundation pour son travail associant des mesures d'aérosols à des données satellitaires. Elle fait partie d'une équipe internationale de chercheurs travaillant à l'intégration de données d'images de l'espace avec des données sur la qualité de l'air au sol.

"Les aérosols sont un contributeur majeur aux décès prématurés dans le monde, " a déclaré O'Brien. " Le problème est que nous n'avons pas de mesures de combien il y en a, surtout dans les endroits où il est vraiment important d'avoir ces mesures."

O'Brien analysera des échantillons d'air du monde entier dans son laboratoire, à l'aide d'un spectromètre de masse Orbitrap nouvellement installé. L'instrument piège les ions et convertit leurs signaux en un spectre de masse, qui fournit une analyse chimique détaillée des molécules contenues dans l'échantillon.

Hongmin Yu, une junior montante et une majeure en chimie, est l'un des principaux collaborateurs d'O'Brien sur le projet. Elle passe son été à passer au peigne fin les données produites par le spectromètre de masse. Yu a grandi à Shanghai et a été témoin des effets de la pollution de l'air sur l'environnement. Lorsqu'elle s'est inscrite à William &Mary, elle savait qu'elle voulait se concentrer sur la science atmosphérique.

"Le travail que nous faisons ici est extrêmement important, " dit Yu. " C'est crucial non seulement pour nous, mais pour les générations futures. Ce que je fais est significatif, pas seulement pour la science, mais pour l'humanité."