Naukowcy od dawna zmagali się z niepewnością związaną z tworzeniem aerozolu i jej wpływu na globalne ocieplenie. Ostatnie badanie prowadzone przez profesora George’a Shieldsa z studentami Olivią Longsworth i Conor Bready z Furman University oferują krytyczne wgląd w wczesne stadia tworzenia aerozolu. Praca ta, opublikowana w czasopiśmie Environmental Science: Atmosfery, bada interakcje między wspólnymi cząsteczkami atmosferycznymi, takimi jak kwas siarkowy, kwas mrówkowy, kwas solny, amoniak i dimetyloaminowa.

Aerozole atmosferyczne znacząco wpływają na klimat Ziemi poprzez rozpraszanie, wchłanianie i emitując promieniowanie słoneczne. Zrozumienie, jak powstają te aerozole, ponieważ ich wpływ na klimat jest jednym z głównych źródeł niepewności w obecnych modelach klimatycznych. Aerozole wtórne, które pochodzą z reakcji w fazie gazowej, są szczególnie ważne, ponieważ działają jako jądra kondensacyjne w chmurze (CCN), ułatwiając tworzenie chmur.

Badanie koncentruje się na tworzeniu klastrów prenukleacji, które są prekursorami większych cząstek aerozolu. Klastry te powstają w wyniku interakcji między monomerami prekursorowymi kwasów, zasad i cząsteczek organicznych. Jednak rozszyfrowanie szczegółowych interakcji odpowiedzialnych za prenukleacje i późniejsze tworzenie aerozolu było trudne. Zespół badawczy zastosował chemię obliczeniową do zbadania tych interakcji, zapewniając kompleksową analizę tworzenia klastrów.

Badając kombinacje trzech kwasów (kwas siarkowy, kwas mrówek, kwasu solnego) i dwóch zasad (amoniak, dimetyloamina), naukowcy zidentyfikowali subtelności tworzenia kompleksu prenukleacji. Przeprowadzili wyczerpujące poszukiwanie powierzchni swobodnej energii GIBBS dla tych układów, wykorzystując obliczenia chemiczne wysokiego poziomu. Ich odkrycia pokazują, że kwas azotowy tworzy silniejsze interakcje w suchych klastrach w porównaniu z kwasem solnym. Jednak gdy klastry rosną wraz z nawodnieniem, kwas solny staje się bardziej korzystny.

Profesor Shields podkreślił znaczenie tej pracy: „Nasze szczegółowe badanie HCL oddziaływania z dwoma innymi kwasami i dwiema zasadami ujawnia subtelności w tworzeniu kompleksów prenukleacji. Topologia wiązań wodorowych i interakcje strukturalne odgrywają kluczową rolę, często przewyższając tradycyjne idee siły kwasu lub podstawy. ”

W badaniu podkreśla, że ​​szczegółowe geometrie każdej minimalnej klastry energii swobodnej są ważniejsze niż konwencjonalna wytrzymałość kwasu/zasady do przewidywania, które gatunki atmosferyczne napędzają wzrost prenukleacji. Odkrycia naukowców wskazują, że chociaż kwas azotowy jest bardziej skuteczny w suchych warunkach, kwas solny staje się bardziej stabilizowany za pomocą nawodnienia.

Ich metodologia polegała na symulacji różnych kombinacji kwasów i zasad z maksymalnie trzema cząsteczkami wody. To kompleksowe podejście pozwoliło im przewidzieć stężenie równowagi kwasu siarkowego kwasu kwasu-kwas-hydrochlorowego kwasu-amonia-dimetyloaminy-woda. Odkryli, że różne kwasy stabilizują klastry prenukleacji na różnych etapach wzrostu, zapewniając cenne informacje na temat przyszłych badań nad tworzeniem aerozolu.

Podsumowując, badanie podkreśla złożoność tworzenia aerozolu i kluczową rolę specyficznych interakcji molekularnych. Zrozumienie tych wczesnych etapów ma kluczowe znaczenie dla poprawy modeli klimatu i dokładnego przewidywania wpływu aerozoli na globalne ocieplenie. Szczegółowa analiza obliczeniowa przedstawiona przez profesora Shieldsa, Longsworth i Bready oferuje znaczący krok naprzód w rozwiązywaniu zawiłości chemii atmosferycznej. Ten artykuł był trzecim serii w tym czasopiśmie, w którym grupa Shields badała różne kombinacje kwasów i zasad skupiających się z cząsteczkami wody.

Referencje dziennika

Longsworth, Olivia M., Conor J. Bready i George C. Shields. „Wpływ napędowy wspólnych cząsteczek atmosferycznych do tworzenia klastrów: przypadek kwasu siarkowego, kwasu mrówkowego, kwasu chlorowodorowego, amoniaku i dimetyloaminy”. Nauka o środowisku: atmosfery, 2023. DOI: https://doi.org/10.1039/d3Ea00087g

Longsworth, Olivia M., Conor J. Bready, Macie S. Joines i George C. Shields. „Wpływ napędowy wspólnych cząsteczek atmosferycznych do tworzenia klastrów prenukleacji: przypadek kwasu siarkowego, kwasu azotowego, kwasu solnego, amoniaku i dimetylo -aminy” https://doi.org/10.1039/d3ea00118k

Longsworth, Olivia M., Conor J. Bready, Vance R. Fowler, Leah A. Juechter, Luke A. Kurfman, Grace E. Mazaleski i George C. Shields. „Wpływ napędowy wspólnych cząsteczek atmosferycznych do tworzenia klastrów prenukleacji: przypadek kwasu siarkowego, kwasu mrówkowego, kwasu azotowego, amoniaku i dimetyloaminy” Conor J. Bready, Vance R. Fowler, Leah A. Juechter, Luke A. Kurfman, Grace E. Mazaleski i George C. Shields: Atmosphera, 2022. https://doi.org/10.1039/d2ea00087c

O autorach

George Shields jest profesorem chemii na Uniwersytecie Furman, gdzie uczy ogólnej chemii i chemii fizycznej. Jego badania z ponad 140 studentów pracujących w jego laboratorium zostały powszechnie cytowane. Wspóżył 116 recenzowanych artykułów, w tym 75 artykułów z 70 studentami pracującymi w jego grupie badawczej. W 2015 r. Otrzymał nagrodę American Chemical Society (ACS) w instytucji licencjackiej oraz nagrodę Research Corporation for Science Advancement Research and Excellence in Education Award w 2018 r. Jest wybranym członkiem ACS i American Association for the Advance of Science. W 2020 r. Otrzymał nagrodę Rady Research Research (CUR) oraz nagrodę wydziału Cur-Goldwater Scholars w 2022 r. Ponad 90% studentów studiów licencjackich ukończyło szkołę absolwentów lub profesjonalnych. Jego studentami otrzymali 45 nagród krajowych, w tym cztery Fulbright, 15 Goldwater i osiem stypendiów.

Conor Bready Ukończył Furman w 2024 r. Jest laureatem nagrody Beckman Scholar i stypendium Goldwater. Opublikował 8 artykułów pracujących w Laboratorium Shields. Otrzymał stypendium Department of Energy Computational Science Graduate, a w sierpniu rozpoczyna studia dyplomowe z chemii teoretycznej na University of California w Berkeley.

Olivia Longsworth jest starszym w Furman i ukończy studia w 2025 r. Jest odbiorcą stypendium Goldwater. Do tej pory opublikowała trzy artykuły pracujące w Laboratorium Shields. Planuje uczęszczać do szkoły medycznej i wypełnić świat badań i klinicznych.