Analyse heterogener Nukleation an Cluster Ionen

Das Ziel des beantragten Projekts ist es, einen tieferen Einblick in den Prozess der Partikelbildung durch Nukleationsprozesse in der Gasphase zu gewinnen. Für die Erforschung von Prozessen der Partikelformation (Nukleation) in der Atmosphäre bedarf es Methoden zur Untersuchung von Nanoteilchen und Clustern. Vor allem der Größenbereich von Teilchen kleiner als 3 nm ist dafür von besonderer Bedeutung. Allerdings sind die experimentellen Möglichkeiten zur Untersuchung des Einflusses der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Teilchen in diesem Größenbereich auf den Nukleationsprozess bisher noch limitiert. Das Projekt beinhaltet die Entwicklung einer neuen Messmethode, die aus einer Kombination von einem differentiellem Mobilitätsanalyser (DMA) und Massenspektrometer (MS) time-of-flight MS besteht (DMA-MS). Das DMA-MS wird modifiziert, um die heterogene Anlagerung von Dampfmolekülen bei definierter Dampfzufuhr messen zu können. Für die Messung wird eine bestimmte Menge Dampf (z.B. Wasserdampf) direkt in den DMA eingeleitet. Somit ist die relative Feuchte in dem System sehr genau einstellbar. Die Rate der Aufnahme von Dampfmolekülen durch molekulare Ionen oder Cluster Ionen ist abhängig von deren physiochemischen Eigenschaften und der Dampfkonzentration im System. Durch die Anlagerung von Dampfmolekülen an die zu untersuchenden Teilchen ändert sich deren Mobilität. Das führt zu einer Verschiebung der gemessenen Mobilitätsgrößenspektren im DMA. Diese Verschiebungen können gemessen und miteinander verglichen werden und geben somit Auskunft über die Rate der Dampfanlagerung. Durch den Vergleich von Mobilität- und Massenmessungen bei unterschiedlichen relativen Feuchten kann der Gleichgewichtssorptionkoeffizient in Abhängigkeit von Struktur und von chemischen Eigenschaften bestimmt werden. Zudem eröffnet die Verwendung der DMA-MS Methodemit einstellbarer Dampfsättigung im DMA die Möglichkeit, zwischen unterschiedlichen Molekülen oder Clustern zu unterscheiden, die Ähnlichkeiten in Masse und Mobilität aufweisen, und diese voneinander zu separieren. Ein besonderer Vorteil der Verwendung des DMAs als Reaktor für Nukleationsprozesse ist die Kenntnis der exakten Aufenthaltsdauer jedes zu untersuchenden Ions im Messbereich des DMAs. Damit ist die Reaktionszeit ebenfalls bekannt. Das eröffnet auch Möglichkeiten für die Messung chemischer Reaktionskinetik (z.B. Oxidationsprozesse). Die Rückkehrphase in Wien umfasst heterogene Nukleationsmessungen unter hohen Dampfübersättigungen in einemExpansionskondensationsteilchenzählers (expansion type Condensation Particle Counter CPC) für dieselben Teilchentypen, die in dem DMA-MS der Auslandphase bereits untersucht wurden. Die Kombination der Ergebnisse beider Messmethoden verspricht einen tieferen Einblick in heterogene Nukleationsprozesse, die für die atmosphärische Partikelbildung relevant sind. Dies wird dadurch möglich, dass erstmals der Einfluss bisher experimentell schwer oder nicht zugänglicher Parameter systematisch gemessen und untersucht werden kann.

Kleine Teilchen in der Luft (Aerosolteilchen) haben einen wesentlichen Einfluss auf die Wolkenbildung in der Atmosphäre. Das Vorhandensein von Aerosolteilchen ermöglicht das Ankondensieren von Wasserdampf und begünstigt somit den Phasenübergang von der dampfförmigen in die flüssige Phase und somit die Wolkentröpfchenbildung. Die ersten Schritte dieses Phasenübergangs erfolgen durch den sogenannten Nukleationsprozess. Durch Diffusionsbewegungen kollidieren die Dampfmoleküle mit vorhandenen Teilchen, auch Nukleationskeime genannt, und lagern sich an deren Oberfläche an. Der Nukleationsprozess ist nicht nur direkt für die Wolkenbildung wichtig, sondern ermöglicht auch die spontane Bildung neuer Teilchen aus vorhandenen organischen Dampfmolekülen. Der Nukleationsprozess ist somit von großer Relevanz für die Entwicklung und Anwendung von Klimamodellen. Die ersten Schritte des Nukleationsprozesses, betreffend Teilchen unter 2 Nanometer, spielen eine Schlüsselrolle. Außerdem spielt die elektrostatische Ladung der Teilchen eine wesentliche Rolle. Es ist bekannt, dass sich Dampfmoleküle leichter an geladene Teilchen anlagern, im Vergleich mit ungeladenen Teilchen. Experimentellen Daten von Messungen des Nukleationsprozesses zeigen oft Abweichungen von Modellvorhersagen, vor allem für sehr kleine Teilchen und bezüglich der Teilchenbeladung. Das Ziel dieses Projekts war es den Nukleationsprozess, für Teilchen unter 2 Nanometer, unter sehr genau definierten Bedingungen, zu untersuchen. Als Nukleationskeime wurden Ionen mit bekannter chemischer Zusammensetzung verwendet. Die Ionen wurden unterschiedlichen Dampfkonzentrationen ausgesetzt und die Anlagerung an die Ionen und das damit verbundene Anwachsen wurde gemessen. Es konnte so der gesamten Nukleationsverlauf beobachtet und quantifiziert werden, angefangen von den ersten Schritten der Anlagerung weniger Dampfmoleküle, bis zum Anwachsen der Ionen zu makroskopisch großen Tröpfchen. Durch die experimentelle Arbeit konnten wir den beobachteten Ladungseffekt sowohl qualitativ als auch quantitativ erklären. Das war möglich durch die hohe Auflösung unserer experimentellen Anordnung durch die wir die genaue Anzahl der angelagerten Dampfmoleküle messen und somit direkt mit der Theorie vergleichen konnten. Zu dem konnten wir beobachten, dass Ionen, bestehend aus nur einem geladenen Atom, den Nukleationsprozess wesentlich begünstigen können. Das heißt, dass die benötigte Dampfkonzentration für den Übergang von der Dampfphase in die flüssige Phase durch die Präsenz dieser sehr kleinen Ionen, wesentlich niedriger ist, als es ohne Ionen der Fall wäre. Auch diese Ergebnisse konnten durch Adaptierungen von klassischen Nukleationsmodellen theoretisch erklärt werden. Wir hoffen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit in weiterer Folge auch zu einer Verbesserung des Verständnisse von Nukleationsvorgängen in der Atmosphäre beitragen können.