Une énigme qui a rendu les scientifiques perplexes est la façon dont de nouvelles particules se forment dans l'atmosphère. Ils savent comment les aérosols peuvent atteindre des tailles suffisamment grandes pour ensemencer des gouttelettes de nuages, mais ces mêmes théories ne parviennent pas à expliquer comment le noyau initial de la particule se développe. Les chercheurs ont ébranlé le mystère de la nucléation – suffisamment loin pour identifier de petits amas de certains types de molécules comme étape clé. Encore, le mécanisme sous-jacent expliquant pourquoi certaines molécules organiques oxydées ont formé des amas avec du bisulfate par rapport à d'autres est resté incertain. Pour améliorer la prévisibilité de la nucléation dans les modèles, les chercheurs ont besoin d'une compréhension fondamentale de ce qui se passe au niveau moléculaire.

Les scientifiques savent que les molécules gazeuses se combinent pour créer de nouvelles particules. A ce stade de nucléation, les particules, dont la taille est inférieure à deux nanomètres, sont trop petits pour une mesure individuelle à l'aide d'instruments disponibles dans le commerce, selon Xue-Bin Wang, un chimiste physique au Pacific Northwest National Laboratory. Cette limitation de taille est l'endroit où Wang a pensé que son équipe pourrait contribuer.

Dans un article récemment publié dans Chimie des communications intitulé "Observation directe des interactions moléculaires hiérarchiques critiques à la formation d'aérosols biogéniques, " Wang a décrit comment lui et ses coauteurs ont étudié la mécanique de la nucléation des aérosols à l'aide de la spectroscopie photoélectronique personnalisée et des calculs de chimie quantique. Sur la base de travaux antérieurs, ils ont soigneusement choisi leurs groupes de substitution d'une molécule de bisulfate et d'un composé organique oxydé pour représenter les propriétés variables de nombreuses espèces organiques présentes dans l'atmosphère. En examinant en détail les structures chimiques et les propriétés physiques des clusters, ils ont cherché à comprendre quelles pourraient être les forces critiques dans la formation d'une nouvelle particule à partir de leurs interactions moléculaires de base.

De leur travail, les chercheurs ont découvert une découverte importante :les groupes fonctionnels – ces groupes spécifiques d'atomes sur une molécule qui ont tendance à avoir les mêmes caractéristiques quelle que soit la molécule sur laquelle ils se trouvent – ​​de la matière organique.

Les aérosols atmosphériques peuvent affecter l'équilibre radiatif de la Terre de plusieurs manières, mais ils sont complexes et donc difficiles à modéliser. Mieux comprendre comment un nouvel aérosol se forme guidera les modèles et réduira l'incertitude dans les prévisions du changement climatique.

Compte tenu de la petite taille de ces nouvelles particules, déterminer quelles sont les forces motrices au niveau moléculaire est essentiel. Les chercheurs veulent savoir comment déterminer la probabilité qu'une molécule organique spécifique forme un cluster stable avec une molécule de bisulfate.

« Dans le domaine de la chimie atmosphérique, les gens utilisent normalement l'état d'oxydation ou le rapport carbone-oxygène pour le décrire, mais ce n'est pas suffisant, " a déclaré Wang. Sur la base des nouvelles découvertes, « les groupes fonctionnels sont le langage le plus précis pour le décrire ».

Si les groupes fonctionnels peuvent indiquer la stabilité d'un cluster, les chercheurs peuvent déterminer combien de temps il peut survivre dans l'air en tant qu'amas et ainsi sa probabilité de former une particule. Ces informations peuvent être associées aux concentrations connues des molécules organiques formant des amas pour prédire le nombre de particules pour la modélisation.

Si les scientifiques peuvent mieux comprendre pourquoi de nouvelles particules se forment, ils peuvent développer de nouvelles lignes directrices pour les modèles qui utilisent les impacts des aérosols dans leurs estimations. Dans les premiers stades, ces nouveaux, les particules minuscules ne suivent pas les mêmes théories de croissance que les particules plus grosses, les chercheurs doivent donc déterminer quelles règles ils suivent. Faire cela, Wang et son équipe ont étudié les paramètres chimiques fondamentaux à l'échelle moléculaire.

Des recherches antérieures sur le terrain et en laboratoire ont identifié de petits amas constitués d'une molécule de bisulfate et d'une ou deux molécules organiques. Ces études suggèrent que la formation de ces agrégats est l'étape limitante dans la nucléation de nouvelles particules. Pour déterminer si un cluster avec une molécule organique spécifique est favorisé par rapport à un cluster avec une autre, les chercheurs se sont appuyés sur les propriétés du squelette carboné de chaque molécule, telles que l'état d'oxydation du carbone ou le rapport des atomes de carbone aux atomes d'oxygène. Encore, ces paramètres ne peuvent pas prédire tous les cas.

L'équipe de Wang a décidé qu'une enquête approfondie sur les propriétés du cluster, telles que leurs structures, énergétique, et thermodynamique, l'utilisation de la spectroscopie et des calculs théoriques pourrait nous éclairer. Ils ont choisi d'étudier une gamme de molécules organiques oxydées dérivées du α-pinène, l'une des plantes les plus abondantes, ou biogénique, émissions.

L'article de Communications Chemistry intitulé "Direct Observation of Hierarchic Molecular Interactions Critical to Biogenic Aerosol Formation" décrit en détail cette enquête unique. Le processus comprenait la génération des grappes par ionisation par électronébulisation et leur caractérisation par spectroscopie cryogénique de photoélectrons à ions négatifs. Du côté théorique, les chercheurs ont utilisé des calculs de chimie quantique et des simulations de dynamique moléculaire pour quantifier la façon dont les amas sont stabilisés.

L'équipe a découvert que les forces intermoléculaires des groupes fonctionnels sont ce qui stabilise les clusters. Les liaisons hydrogène donnent aux amas embryonnaires un taux d'évaporation suffisamment faible pour qu'ils restent dans l'atmosphère suffisamment longtemps pour interagir avec d'autres molécules et grossir. L'équipe a également déterminé que les groupes fonctionnels tombent dans une hiérarchie; par exemple, le groupe carboxylique a une interaction plus forte avec la molécule de bisulfate que le groupe hydroxyle. Cette découverte fondamentale permet de mieux comprendre la formation de nouvelles particules.

Parce que ce travail est une étude fondamentale, les chercheurs veulent vérifier que leurs découvertes sont vraies dans l'atmosphère. Étant donné l'abondance de l'eau dans l'atmosphère, Wang prévoit d'ajouter des molécules d'eau aux mesures de grappes comme l'une des prochaines étapes. Il s'attend également à collaborer avec ses collègues scientifiques de premier plan du Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement W. R. Wiley du PNNL pour déterminer comment les prédictions de son équipe peuvent être testées dans des expériences physiques. De telles confirmations peuvent renforcer la confiance dans les modèles qui prennent en compte les groupes fonctionnels pour évaluer quelles molécules organiques sont importantes pour la formation de nouvelles particules.