Hydratation, Adsorption und Reaktion auf kleinen Aerosolpartikeln

• Antragsteller: Dr. Jozef Lengyel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549903652

Fast die Hälfte der Wolkenkeime in der Troposphäre stammen aus der atmosphärischen Bildung von Partikeln, einem Prozess, bei dem gasförmige Moleküle in kleine Aerosolpartikel umgewandelt werden. Die meisten von ihnen werden durch die Kondensation von Dampf- und Gasmolekülen zu kleinen sub-nm-Clustern gebildet, die starke Größeneffekte aufweisen. Während sich kleine Cluster kontinuierlich bilden und wieder zerfallen, erreichen nur wenige eine kritische Größe, ab der ein weiteres Wachstum spontan erfolgt. Dieses Projekt zielt darauf ab, die ersten Schritte der atmosphärischen Partikelbildung zu entschlüsseln und die Pickup-Effizienz in Abhängigkeit von der Partikelgröße zu bestimmen, einen Schlüsselparameter für die Modellierung der Wolkenbildung. Im Gegensatz zu großen Partikeln, deren Pickup-Effizienz durch geometrische Wirkungsquerschnitte beschrieben werden kann, weisen sub-nm-Cluster aufgrund von langreichweitigen Wechselwirkungen oft erhöhte Wirkungsquerschnitte auf. Um diese Ziele zu erreichen, schlagen wir vor, unseren Ionenstrahl-Versuchsaufbau um eine Molekularstrahlquelle zu erweitern. Durch diese Erweiterung entsteht ein einzigartiges und vielseitiges Instrument, das eine breite Palette von Experimenten mit geladenen und neutralen Teilchen ermöglicht. Neben der ioneninduzierten Keimbildung können wir dann auch die Wechselwirkung von Molekülen mit neutralen Clustern untersuchen - das dominierende Keimbildungsereignis in der Atmosphäre. Das Projekt konzentriert sich auf die systematische Untersuchung von hydratisierten Säureclustern, insbesondere von binären Schwefelsäure/Methansulfonsäure-Wasser-Systemen. Kleine Cluster werden mit einer Freistrahlexpansion erzeugt, während Partikel im Nanometerbereich durch die Implementierung eines Aerosolgenerators in unsere Clusterquelle gewonnen werden sollen. Die hydratisierten Säurecluster werden in Pickup-Experimenten untersucht. Dabei werden die Kollisionen der Cluster mit Molekülen durch ihre Pickup-Querschnitte in einer Kombination aus massenspektrometrischer Analyse und Geschwindigkeitsmessungen der Cluster charakterisiert. Zunächst werden wir Kollisionen mit oxidierten organischen Stoffen untersuchen, um die Pickup-Effizienz in Abhängigkeit von der Clustergröße zu beobachten. Zweitens werden wir die Wechselwirkung mit Molekülen unterschiedlicher molekularer Eigenschaften (funktionelle Gruppen, sterische Ausdehnung usw.) testen und diese mit der beobachteten Pickup-Effizienz korrelieren. Drittens wollen wir die Faktoren identifizieren, die die Säurehydratation in den Clustern bei Einführung einer komplementären Base und anschließendem Protonentransfer modulieren - den Massenspektren von Säure-Base-Clustern, die mit verschiedenen Massenspektrometrietechniken beobachtet werden, fehlt oft der Wassergehalt. Die Unterscheidung zwischen Ionisierungs- und thermochemisch basierten Mechanismen wird dazu beitragen, Protokolle zur sanften Ionisierung für künftige Pickup-Experimente zu etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Scanning Mobility Particle Sizer
• Gerätegruppe: 1950 Partikelzählgeräte und -klassiergeräte (optisch, elektronisch, außer 35