无人机芯片上的佳博体育。学生们创造了新的设备来研究地球的大气层
它们无处不在，几乎看不见，可能会决定我们星球的未来。这种被称为气溶胶的小颗粒物质几乎存在于每一个生态系统中，在海洋上空的空气中，在沙漠和山脉之上，在森林深处，在冰层下。
当你在秋天的早晨看到你的呼吸时，那些是从你肺部携带的水蒸气中的气溶胶。当小的固体颗粒或液滴悬浮在空气中时，就会产生气溶胶。这些微小的颗粒在影响空气质量方面发挥着重要作用，并可能决定地球气候的未来。
有些气溶胶是自然产生的，有些则是人为的。野火上空的烟雾、城市上空的雾霾、农田上空被风吹来的灰尘都是气溶胶的人为来源，通常被认为是造成气候变化的原因。
人们对这些气溶胶是如何在大气中形成的了解较少。有时分子会相互粘在一起，形成全新的颗粒，或者它们会在原有的颗粒上凝结，形成二次有机气溶胶，这是威廉玛丽大学化学助理教授内森·基德威尔（Nathan Kidwell）的专业领域。
基德威尔说：“目前大气化学中最大的不确定性是我们对气溶胶是使大气变暖还是变冷的了解程度。”“这完全取决于构成气溶胶的分子种类和气溶胶的大小。我们真正想了解的是分子是如何形成气溶胶的，以及气溶胶如何吸收或反射光线。这将告诉我们能量平衡，这对气候变化和公众健康都有影响。”
Kidwell在综合科学中心的佳博体育被设计成模拟分子与太阳相互作用的方式。它配备了一系列高功率激光器，发射的波长与太阳的频率相匹配。激光将与气溶胶相关的分子脉冲送入真空室，将其分解。这些碎片被引导到探测器上，探测器捕捉到这些分子与阳光相互作用时产物的图像。
“在我们的佳博体育里，我们实际上模拟了这些过程，”基德威尔说。“我们可以在受控环境中获得气溶胶形成的分子水平视角。这个新项目旨在了解它们在野外的行为，这是研究大气化学的一种补充和有趣的方式。”
AIRduino是一款基于Arduino微控制器技术的手持多传感器设备，它可以在实际大气中进行大气测量，并将其实时传回智能手机应用程序。这个装置是由William & 玛丽大学的本科生和他们的高中学生今年夏天在Kidwell佳博体育设计和制造的。该项目完全由W&M可持续发展绿色费用计划委员会资助。
“这个设备是吸引学生和激励人们的好方法，”20岁的凯利·罗德里格斯-瓦斯奎兹（Kelly Rodriguez-Vasquez）说，他是这个项目的团队负责人。“这使他们有可能收集数据，并通过监测正在发生的变化来帮助环境。”
从本质上讲，AIRduino是一个便携式测量佳博体育。它是一组传感器，用来测量空气中臭氧、挥发性有机化合物、温度、湿度和不同大小的气溶胶的浓度。空气通过一个内置风扇通过一个3d打印的盒子吸入传感器。当空气经过传感器时，AIRduino会同时记录所有的测量结果。该设备体积小，重量轻，可以安装在无人机上，这是该项目的下一阶段。
基德威尔说：“我们计划与当地学校和弗吉尼亚海洋科学研究所合作，监测区域大气化学如何随着地理和季节的变化影响气溶胶的形成。”
传感器有22种不同的可互换选项，可以检测无数的化合物，比如由燃烧煤、石油、柴油、木材和天然气制成的碳基气溶胶。AIRduino通过蓝牙与智能手机配对，数据会传回应用程序界面，以便实时查看。结果也记录在车载存储使用SD卡。
罗德里格斯-瓦斯奎兹说，学生们开发了这个设备的各个方面。她学的是化学专业，为了开发这款应用，她自学了编程。其他学生，19岁的亚伦·科尔（Aaron Cole）、高中生雷曼·蒙哥马利（Lehman Montgomery）、雷切尔·史密斯（Rachel Smith）和德西拉瓦·约达诺娃（Desislava Yordanova）也自学了编程、化学和工程的基本知识。
“我们真的像一个团队一样工作，”罗德里格斯-瓦斯奎兹说。“我们都戴过很多帽子。”
她补充说，AIRduino开发过程的民主性质使其进入了最终产品。他们使用开源技术鼓励公民科学家使用（甚至改进）他们的设计。
Arduino微控制器和3D打印机在全国各地的创客空间、图书馆和教室都很容易买到。该应用程序的代码可以在网上免费获得。该团队还撰写了一篇论文，将很快发表在《化学教育杂志》（The Journal of Chemical Education）上，这篇论文将作为一本指导手册，教你如何构建自己的AIRduino、应用程序等。
“我知道，既然我们真的处于讨论气候变化的时代，人们想要有所作为，但他们不知道如何做，”罗德里格斯-瓦斯奎兹说。“如果我们让它变得容易，人们看到他们可以自己做，他们会更倾向于这样做。我相信有科学家可以改进它，或者其他教育工作者可能想要对它进行调整。这一切都是为了分享我们的成果，这样我们就可以建立一个更大的科学社区。”
推动AIRduino项目的“创客”精神始于课堂，特别是由该大学创客空间主任乔纳森·弗雷教授的“工程设计导论”课程。去年是开设这门课程的第一年，AIRduino团队的成员参加了这门课程的两个学期。
弗雷说：“这个项目和其他类似项目的跨学科性质是创客空间计划的全部内容。”“当来自不同背景的人聚集在一起时，就会产生创新。我把创客空间看作是文科的现代体现。”
“如果你回到柏拉图的时代，”他补充说。“文科是你在现代社会成为一个有生产力的公民所需要的技能。过去，如果你不识字，你就很难找到某些工作。如今，如果你不懂3D建模，你将很难找到很多工作。即使价值观保持不变，这些技能也会随着时间而改变。”
当AIRduino团队的学生们参观美国宇航局兰利研究中心校准大气传感器时，他们看到了专业的工程技术在起作用。学生们与美国宇航局的科学家玛格丽特·皮平（Margaret Pippin）和弗吉尼亚州环境质量部（DEQ）合作，分享了大气结果，并将其与美国宇航局在汉普顿的化学和物理大气边界层实验（CAPABLE）站点收集的结果进行了比较。
“这真是锦上添花，”基德威尔说。“这里有很多不同的学生，来自当地的高中，来自威廉和玛丽，他们都在一起工作，与美国宇航局的大气科学家一起进行测量。他们正在向学生们展示如何使用这些顶级仪器校准传感器。这真的很酷。”
基德威尔解释说，在野外测量气溶胶的传统方法包括像CAPABLE这样的陆基探测器，它需要大量的仪器来持续、长期地监测区域空气质量。还有空气质量探测器，可以通过飞机发射，在野火等事件中测量空气污染。
Kidwell补充说，虽然这些方法对科学界和整个社会都非常有用，而且将继续非常有用，但这些仪器的高成本使它们无法在更大的区域内部署。这意味着该国有大片地区没有可靠的数据。像AIRduino这样的低成本且易于使用的设备可以在服务不足的地区（包括潮水地区）获得空气质量数据。
基德威尔说：“在弗吉尼亚的潮水地区，化学成分如何影响气溶胶的产生，这是一个非常有趣的问题。”“由于这种可访问的技术，我们正在授权学生充当公民科学家，并了解正在他们后院发生的这些过程。”
