在热浪期间检测超分子有机纳米颗粒

《SCIENCE》：Detecting supramolecular organic nanoparticles during heat wave

新粒子形成在高温下频繁发生，有机酸通过氢键自组装形成超分子纳米颗粒，其机制解释了高温条件下粒子形成的反直觉现象，并揭示了有机酸与硫酸酸共同主导的粒径增长过程，对健康和气候评估具有重要意义。

　　

编辑总结

大气中新颗粒的形成通常被认为会受到高温的抑制，这种效应源于形成颗粒的物质的挥发性。张等人报告了在热浪期间频繁出现新颗粒形成现象的观测结果。他们的测量揭示了有机酸产生超分子纳米颗粒的化学途径，这对于评估新颗粒形成对公共卫生和气候的潜在影响至关重要，因为在气候变暖的情况下，热浪变得越来越频繁和强烈。——杰西·史密斯

结构化摘要

引言

了解气溶胶的形成机制是大气研究的前沿领域之一，对人类和生态系统健康、天气以及气候都有深远的影响。作为细颗粒的主要来源，新颗粒的形成产生了对流层中超过50%的云凝结核。气溶胶成核过程通常被描述为一个两步过程，涉及一个自由能障碍（例如非自发过程）和一个曲率障碍（例如受挥发性限制的过程）。已经提出了多种化学物质（如硫酸、氨和胺类以及氧化有机化合物）来解释这一现象。预计气候变化将改变排放物和大气化学成分，从而影响气溶胶形成的频率和性质。

研究理由

现有的实验、野外观测和理论研究往往得出相互矛盾的结果，尤其是在涉及气溶胶形成初期阶段的化学物质方面。由于缺乏分析仪器，对小于10纳米颗粒的化学成分进行直接测量的数据仍然很少。为了填补这些空白，我们进行了野外观测和量子化学计算，以阐明热浪条件下的大气化学过程。我们测量了小至3纳米的纳米颗粒的大小分辨化学成分，从而对其形成和生长机制提供了深入的理解。

结果

我们在接近40°C的高温下观察到了频繁的新颗粒形成现象。多功能羧酸（例如二元酸和三元酸）被确定为成核模式颗粒（3至25纳米）的主要成分，而硫酸的质量分数随颗粒尺寸的增加而增加。胺类仅在大颗粒（>20纳米）中被检测到。我们还发现，非酸性有机化合物（包括由异质反应形成的寡聚产物）的质量分数也随颗粒尺寸的增加而增加。成核模式颗粒表现出独特的物理化学性质，特别是其低吸湿性和密度，这些特性反映了它们独特的纳米结构。气态有机酸的检测证实了它们在新颗粒形成中的关键作用，以及这些有机酸来源于人为和生物源排放物的光氧化过程，例如与交通相关的芳香族化合物以及生物源的异戊二烯和蒎烯。理论计算表明，具有多重生长和稳定途径的二元酸和三元酸容易通过双氢键的形成产生超分子纳米颗粒，这一过程同时受到偶极-偶极相互作用和静电吸引力的促进。

结论

我们的野外观测的一个意外发现是，新颗粒的形成发生在相当高的温度下。这一结果无法用现有的理论来解释，尤其是那些基于挥发性的成核理论。相反，我们的研究表明，超分子纳米颗粒是通过羧酸的自组装在氢键相互作用下产生的。对小至3纳米的纳米颗粒的化学成分的揭示提供了明确证据，证明多功能有机酸在新颗粒形成中起主导作用。鉴于有机酸普遍来源于人为和生物源挥发性有机化合物的光氧化，它们的分子自组装与硫酸共同作用，构成了新颗粒形成的主要途径。我们的研究不仅为评估气溶胶对公共卫生、云形成和气候的影响开辟了新的途径，还对许多生物学、化学、工程学、医学和物理学领域具有更广泛的意义。

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空气中的超分子纳米颗粒。

挥发性有机化合物来源于人为源（例如交通产生的芳香族化合物）和生物源（例如橡树产生的异戊二烯和松树产生的蒎烯）。在强烈的太阳辐射下，它们被羟基自由基氧化，产生大量的有机酸，这些有机酸自组装形成超分子纳米颗粒。这些纳米颗粒在热浪期间非常普遍，而在气候变暖的情况下，这种现象可能会更加频繁。

摘要

新颗粒的形成（NPF）是对流层细颗粒的主要来源之一。普遍的观点认为，NPF在热力学上依赖于凝结物质的挥发性，在高温下是不利的。通过一次深入的野外观测，我们在热浪期间观察到了频繁的新颗粒形成现象。我们首次测量了小至3纳米的纳米颗粒的大小分辨化学成分，发现羧酸是主要成分。我们的研究揭示了通过有机酸自组装产生超分子纳米颗粒的自发机制。这一发现不仅解释了在高温下新颗粒形成的现象，还解释了它在多种大气条件下的普遍存在。随着全球变暖导致热浪变得更加频繁和强烈，我们的发现为评估气溶胶对云形成、公共卫生和气候的影响提供了新的途径。