气相分子成核研究中取得新进展

2021-01-21 09:24:05

近日，上海交通大学环境科学与工程学院李晨曦助理教授与瑞士苏黎士联邦理工学院（ETH Zürich）的Ruth Signorell教授课题组合作，在气相分子相态变化的初始过程（即成核过程，nucleation）的研究中取得了重要进展。研究成果以“ How volatile components catalyze vapor nucleation”为题于2021年1月13日在科学进展（Science Advances）上在线发表。

气相成核是指气相分子相互结合，生成可以自发生长分子团簇的过程。这一过程不但是大气中新粒子的来源，也广泛存在于各种工业生产过程中。理解成核过程对分析大气中颗粒物的气候与健康效应，优化工业生产过程有重要意义。以往研究发现，在单一物种成核体系中加入另一种高挥发性的物种，可以极大地提高成核速率。阐释这一现象的机理需要对成核过程中生成的分子团簇进行定量测量。在以往研究中，定量测量集中相互作用较强的物质（如空气中的痕量硫酸与碱性分子），而并没有涉及弱相互作用的物质（例如非极性分子与碳氢化合物）。这是由于弱相互作用的物质形成的分子团簇极为脆弱，在实验上定量测量这些团簇的组成与浓度极为困难。面对这一挑战，李晨曦与Ruth Signorell教授课题组在研究中独特地结合了拉瓦尔喷管，真空紫外光电离与飞行时间质谱仪，最大限度地保存了分子团簇的完整性，使定量的动力学分析成为可能。该研究中所使用的实验装置示意图如图1所示。

图1 结合了拉瓦尔喷管，真空紫外光电离与飞行时间质谱仪的成核研究装置。

理解CO2的相变过程对碳存储技术开发、阐释火星大气的气象过程有重要意义。鉴于CO2的重要性，李晨曦助理教授利用上述实验装置，在研究中选取了CO2 作为成核物种之一，研究了其与甲苯、水、正丁烷、正己烷及丙醇在成核过程中的互动。研究发现，CO2 在本质上起到了催化剂的作用，与其它分子形成过渡性的分子团簇，通过伴侣机制（chaperone mechanism）极大地加速了成核过程。甲苯在CO2存在时生成分子团簇的质谱图如图2所示。由图2可知，在成核过程中首先生成的分子团簇是纯甲苯团簇，然后这些分子团簇再通过CO2的凝结继续生长。