Un enigma che ha lasciato perplessi gli scienziati è come si formano nuove particelle nell'atmosfera. Sanno come gli aerosol possono crescere in dimensioni abbastanza grandi da seminare goccioline di nuvole, ma quelle stesse teorie non riescono a spiegare come si sviluppa il nucleo iniziale della particella. I ricercatori hanno smantellato il mistero della nucleazione, abbastanza lontano da identificare piccoli gruppi di determinati tipi di molecole come passaggio chiave. Ancora, il meccanismo alla base del motivo per cui alcune molecole organiche ossidate formavano cluster con bisolfato rispetto ad altre è rimasto poco chiaro. Per migliorare la prevedibilità della nucleazione nei modelli, i ricercatori hanno bisogno di una comprensione fondamentale di ciò che sta accadendo a livello molecolare.

Gli scienziati sanno che le molecole gassose si combinano per creare nuove particelle. In questa fase di nucleazione, le particelle, di dimensioni inferiori a due nanometri, sono troppo piccoli per la misurazione individuale utilizzando strumenti disponibili in commercio, secondo Xue-Bin Wang, un chimico fisico al Pacific Northwest National Laboratory. Questa limitazione delle dimensioni è il punto in cui Wang ha pensato che il suo team potesse contribuire.

In un articolo recentemente pubblicato su Chimica delle comunicazioni intitolato "Osservazione diretta delle interazioni molecolari gerarchiche critiche per la formazione di aerosol biogeni", Wang ha descritto come lui e i suoi coautori hanno studiato la meccanica della nucleazione dell'aerosol utilizzando la spettroscopia fotoelettronica personalizzata e calcoli di chimica quantistica. Sulla base del lavoro precedente, hanno scelto con cura i loro gruppi surrogati di una molecola di bisolfato e un composto organico ossidato per rappresentare le diverse proprietà di molte specie organiche presenti nell'atmosfera. Esaminando in dettaglio le strutture chimiche e le proprietà fisiche dei cluster, hanno cercato di capire quali potrebbero essere le forze critiche nella formazione di una nuova particella dalle loro interazioni molecolari di base.

Dal loro lavoro, i ricercatori hanno scoperto una scoperta importante:i gruppi funzionali – quei gruppi specifici di atomi su una molecola che tendono ad avere le stesse caratteristiche indipendentemente dalla molecola su cui si trovano – della materia organica.

Gli aerosol atmosferici possono influenzare l'equilibrio radiativo della Terra in diversi modi, ma sono complessi e quindi difficili da modellare. Avere una migliore comprensione di come si forma un nuovo aerosol guiderà i modelli e ridurrà l'incertezza nelle previsioni sui cambiamenti climatici.

Data la piccola dimensione di queste nuove particelle, determinare quali sono le forze trainanti a livello molecolare è essenziale. I ricercatori vogliono sapere come determinare la probabilità che una specifica molecola organica formi un cluster stabile con una molecola di bisolfato.

"Nel campo della chimica atmosferica, le persone normalmente usano lo stato di ossidazione o il rapporto carbonio-ossigeno per descriverlo, ma non è sufficiente, " ha detto Wang. Sulla base delle nuove scoperte, "gruppi funzionali è il linguaggio più preciso per descriverlo".

Se i gruppi funzionali possono indicare quanto sarà stabile un cluster, i ricercatori possono determinare per quanto tempo può sopravvivere nell'aria come un ammasso e quindi la sua probabilità di formare una particella. Queste informazioni possono essere associate alle concentrazioni note delle molecole organiche che formano cluster per prevedere i numeri di particelle per la modellazione.

Se gli scienziati possono capire meglio perché si formano nuove particelle, possono sviluppare nuove linee guida per i modelli che utilizzano gli impatti degli aerosol nelle loro stime. Nelle prime fasi, questi nuovi, le particelle minuscole non seguono le stesse teorie di crescita delle particelle più grandi, quindi i ricercatori devono capire quali regole seguono. Fare così, Wang e il suo team hanno studiato i parametri chimici fondamentali su scala molecolare.

La ricerca passata sul campo e in laboratorio ha identificato piccoli cluster costituiti da una molecola di bisolfato e una o due molecole organiche. Questi studi hanno suggerito che la formazione di questi cluster è il passo limitante nella nucleazione di nuove particelle. Per determinare se un cluster con una specifica molecola organica è favorito rispetto a un cluster con un altro, i ricercatori hanno fatto affidamento sulle proprietà della struttura portante di carbonio di ciascuna molecola, come lo stato di ossidazione del carbonio o il rapporto tra carbonio e atomi di ossigeno. Ancora, questi parametri non possono prevedere ogni caso.

Il team di Wang ha deciso che indagando a fondo sulle proprietà dei cluster, come le loro strutture, energetica, e termodinamica, l'uso della spettroscopia e dei calcoli teorici potrebbe far luce. Hanno scelto di studiare una gamma di molecole organiche ossidate derivate da α-pinene, una delle piante più abbondanti, o biogeno, emissioni.

L'articolo sulla chimica delle comunicazioni intitolato "Osservazione diretta delle interazioni molecolari gerarchiche critiche per la formazione di aerosol biogeni" descrive in dettaglio l'indagine unica. Il processo includeva la generazione dei cluster con ionizzazione elettrospray e la loro caratterizzazione mediante spettroscopia criogenica di ioni negativi fotoelettronici. Sul versante teorico, i ricercatori hanno utilizzato calcoli di chimica quantistica e simulazioni di dinamica molecolare per quantificare come i cluster sono stabilizzati.

Il team ha scoperto che le forze intermolecolari dei gruppi funzionali sono ciò che stabilizzano i cluster. I legami idrogeno conferiscono ai gruppi embrionali un tasso di evaporazione sufficientemente basso da rimanere nell'atmosfera abbastanza a lungo da interagire con altre molecole e crescere. Il team ha anche determinato che i gruppi funzionali rientrano in una gerarchia; Per esempio, il gruppo carbossilico ha un'interazione più forte con la molecola di bisolfato rispetto al gruppo ossidrile. Questa scoperta fondamentale fornisce una comprensione più chiara della formazione di nuove particelle.

Poiché questo lavoro è uno studio fondamentale, i ricercatori vogliono verificare che le loro scoperte siano vere nell'atmosfera. Data l'abbondanza di acqua nell'atmosfera, Wang prevede di aggiungere molecole d'acqua alle misurazioni del cluster come uno dei passaggi successivi. Si aspetta anche di collaborare con i suoi colleghi scienziati di spicco del WR Wiley Environmental Molecular Sciences Laboratory del PNNL per determinare come le previsioni del suo team possono essere testate in esperimenti fisici. Tali conferme possono rafforzare la fiducia nei modelli che considerano i gruppi funzionali nella valutazione di quali molecole organiche sono importanti per la formazione di nuove particelle.