Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van Dr. Jingkun Jiang van de Tsinghua Universiteit en Dr. Markku Kulmala van de Universiteit van Helsinki heeft een efficiënt mechanisme gerapporteerd voor gasvormig zwavelzuur en basen om atmosferische ultrafijne deeltjes te vormen. De bevindingen verklaren de snelle vorming van secundaire ultrafijne deeltjes, die de luchtkwaliteit en het klimaat verder kunnen beïnvloeden.

Het team ontdekte dat zuur-base-reacties de belangrijkste drijvende krachten zijn voor gasvormige voorlopers om oppervlaktespanning te overwinnen en ultrafijne deeltjes te vormen, en het belangrijkste mechanisme is de vorming van verborgen zuur-base heterodimeren. Dit verborgen mechanisme verklaart de hoge deeltjesvormingssnelheid in Chinese megasteden.

Hun bevindingen zijn gepubliceerd in National Science Review .

"Er zitten honderdduizenden ultrafijne deeltjes in lucht per kubieke centimeter in Chinese megasteden, en een nieuwe vorming van deeltjes op een zonnige middag kan hun concentratie binnen enkele uren gemakkelijk met één orde van grootte verhogen", zegt Jiang.

Om uit te leggen hoe nieuwe deeltjes zo efficiënt kunnen worden omgezet uit gasvormige voorlopers, zijn Jiang en Kulmala, samen met Dr. Runlong Cai, vastbesloten op zoek te gaan naar het sleutelmechanisme voor snelle vorming van nieuwe deeltjes. Ze weten dat zwavelzuur een primaire voorloper is, terwijl het de uitdaging is om onder veel kandidaten de belangrijkste basen te vinden. "Stadslucht is een complexe cocktail van chemicaliën met slecht begrepen interacties en feedback," merkte Kulmala op.

De onderzoekers observeerden zeer overvloedige moleculaire clusters die zwavelzuur bevatten tijdens de vorming van nieuwe deeltjes in Beijing en Shanghai. Sommige van de gemeten clusters bevatten zwavelzuur- en aminemoleculen. Deze leveren sterk bewijs voor de deelname van amine aan de vorming van stabiele zwavelzuurclusters, die de omzettingssnelheid van gasvormig zwavelzuur naar nieuwe deeltjes verhogen.

"Het is intrigerend dat we in een cluster minder basen dan zuren hebben gemeten. Er moet een aantal belangrijke informatie verborgen zijn achter de gemeten signalen", zegt Cai. Eerder werd voorgesteld dat de clustering tussen een basemolecuul en een zwavelzuurhomodimeer het belangrijkste mechanisme is voor de vorming van nieuwe deeltjes, aangezien er geen basemoleculen in de gemeten clusters waren die één zwavelzuurmolecuul bevatten. Het onderzoeksteam ontdekte echter dat dit een meetartefact was.

Door langetermijnmetingen en theorie op basis van kwantumchemie en clusterkinetiek te combineren, ontdekten ze dat de vorming van verborgen zuur-base heterodimeren het belangrijkste mechanisme is. Dit mechanisme is veel efficiënter dan het eerder voorgestelde mechanisme met zuur-zuur homodimeren, wat zorgt voor een snelle vorming van zwavelzuurclusters en nieuwe deeltjes.

De verborgen heterodimeren lossen de puzzel op waarom nieuwe deeltjes vaak kunnen worden gevormd tegen een hoge achtergronddeeltjesbelasting in megasteden. De verborgen zuur-base heterodimeren met een aanzienlijke fractie in de gemeten zwavelzuursignalen kunnen effectief met elkaar clusteren. Dit zorgt voor een hoge deeltjesvormingssnelheid die het theoretische maximum benadert, zelfs bij een lage amineconcentratie in de omgeving. De verborgen heterodimeren verklaren ook de temperatuurafhankelijkheid van de vorming van nieuwe deeltjes in Beijing en Shanghai. "Atmosferische metingen worden vaak verstoord door vele factoren. Ik had niet zo'n verbazingwekkende consistentie tussen de metingen en de nieuwe theorie verwacht", zegt Cai.

Het team zocht ook naar de verborgen basismoleculen met behulp van thermodynamische en kinetische analyses. Van de gemeten gasvormige moleculen dienen sterke aminen zoals dimethylamine als de belangrijkste basen in zuur-base heterodimeren, terwijl de zeer overvloedige ammoniak en andere zwakke basen waarschijnlijker betrokken zijn bij het daaropvolgende clustergroeiproces. + Verder verkennen

Wetenschappers observeren langzaam foto-elektronenspectrum van zwavelzuur in hoge resolutie