CLUSTER PHYSICS. A special lecture on nanoparticles

Transkriptio

1 CLUSTER PHYSICS A special lecture on nanoparticles

2 Selitä taivaan värit

3 RAYLEIGH SIRONTA VS. MIE SIRONTA Rayleigh n sirontaa tapahtuu kun siroavan säteilyn aallonpituus on suurempi kuin sirottava objekti (eli ilmakehässä typpi- ja happimolekyylit) Mien sirontaa tapahtuu kun objektin ja aallonpituuden kokoluokka on sama (ilman pienhiukkaset ja vesihyöry) Näkyvän valon aallonpituus muutamia satoja nanometrejä Aallonpituusriippuvuus (Lähes) aallonpituusriippumaton

4 Mitä tässä tapahtuu?

5 VESIHÖYRYN KONDENSOITUMINEN NOKIHITUJEN YMPÄRILLE Polttoprosessissa muodostuu vesihöyryä ja nokea Aerosoli jäähtyy, vesihöyry tiivistyy sekä polttoseoksen epäpuhtaasta palamisesta johtuvien nokihitujen ympärille (etenkin jos ne sisältävät rikkihappoa tai rikkidioksidia), että myös ilmakehässä olevien pienten klustereiden ympärille. Syntyy pieniä vesi/jäähiukkasia, jotka sirottavat säteilyä Mien tavalla Muodostavat cirrus-tyyppisiä pilviä, jotka viipyvät ilmakehässä yllättävän pitkään Nämä pilvet estävät tehokkaasti IR-säteilyn poistumisen maasta maan pintalämpötila kasvaa? Schumann et al. Influence of fuel sulfur on the composition of aircraft plumes: The experiments SULFUR 1-7

6 Mitä tässä tapahtuu?

7 MITEN WTC ISKUT LIITTYVÄT ILMAKEHÄN HIUKKASIIN? Syyskuun 11. päivän iskujen jälkeen Yhdysvaltain lentoliikenne lakkautettiin täysin kolmeksi päiväksi. Tämä antoi tutkijoille mahdollisuuden tutkia, miten lentoliikenteestä aiheutuneet pilvimuodostelmat vaikuttavat maan pintalämpötilaan vai vaikuttavatko mitenkään. (D. J. Travis, A. M. Carleton, ja R. G. Lauritsen: Regional Variations in U.S. Diurnal Temperature Range for the September 2001 Aircraft Groundings: Evidence of Jet Contrail Influence on Climate. Journal of Climate 17, 1123 (2004)) Huomattiin että päivän alimman ja korkeimman lämpötilan välinen ero (diurnal temperature range (DTR)) kasvoi noin asteella, vieläpä niin että T max kasvoi kun taas T min pysyi jokseenkin samana Ilmaston muutos on globaalilla tasolla pienentänyt DTR-arvoa (D. Easterling et al. Maximum and Minimum Temperature Trends for the Globe. Science 277, 364 (1997))

8 AEROSOLIT OVAT ERITTÄIN KOMPLEKSISIA SYSTEEMEJÄ JA NE VAIKUTTAVAT ILMASTOON - MUTTA MITEN? STOCKER, T.F., ET AL, 2013: TECHNICAL SUMMARY. IN: CLIMATE CHANGE 2013: THE PHYSICAL SCIENCE BASIS. CONTRIBUTION OF WORKING GROUP I TO THE FIFTH ASSESSMENT REPORT OF THE INTERGOVERNMENTAL PANEL ON CLIMATE CHANGE [STOCKER, T.F., D. QIN, G.-K. PLATTNER, M. TIGNOR, S.K. ALLEN, J. BOSCHUNG, A. NAUELS, Y. XIA, V. BEX AND P.M. MIDGLEY (EDS.)]. CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, CAMBRIDGE, UNITED KINGDOM AND NEW YORK, NY, USA.

9 KAKSI TUTKIMUSESIMERKKIÄ ILMAKEHÄN AEROSOLEISTA Ensimmäinen esimerkki kertoo, kuinka Br-ionit rikastuvat merisuolahiukkasten pinnoille Toinen esimerkki näyttää kuinka nokihitusia voidaan tutkia Ennen esimerkkejä välihuomautus

10 CLUSTERS OR NANOPARTICLES? NANOMETRIT JA HIUKKASKOOT There is still no sharp discrimination between the terms cluster and nanoparticle in the literature. Clusters are mostly considered as species, exactly defined in chemical composition and structure, whereas the expression nanoparticle usually means particles of less precise characterization, often linked with a certain size distribution and so to some extent substitutes the historical expression colloid. G. Schmid, D. Fenske, Phil. Trans. R. Soc. A 368, Nanoparticles are everything below 100 nm and above 1 nm in diameter How many atoms we can fit to d = 1 nm particle? Let s take Si atom with radius of 110 pm and assume that it forms perfectly spherical clusters/nanoparticles 1207 (2010) Lecture notes eq. (2) page 10: Rc=N 1/3 Ra N=(0.5 nm) 3 /(0.11nm) 3 =94 For d = 2 nm, N = 750 For d = 5 nm, N = For d = 10 nm, N = For d = 100 nm, N =

11 T. W. Wilson et al. A marine biogenic source of atmospheric ice-nucleating particles. Nature 525, 234 (2015)

12 BROMI TOIMII KATALYYTTINA OTSONIN HAJOAMISESSA HAPEKSI or( Cycle 3 ClO + BrO Cl + Br + O 2 ClO + BrO BrCl + O 2 BrCl + sunlight Cl + Br Cl + O 3 ClO + O 2 Br + O 3 BrO + O 2 Net: 2 O 3 3 O 2 ) Atmospheric chemistry: Sun, sea and ozone destruction Roland von Glasow Nature 453, (2008)

13 MITÄ TUTKITTIIN NaCl- ja NaBr - suoloja liuotettiin veteen ja tästä suolaliuoksesta tehtiin pisaroita. Pisaroista kuivattiin suurin osa vedestä pois, jolloin jäljelle jäi suolakuutioita. Kuutioiden pinnan kemiallista koostumusta verrattiin laskennalliseen ionien suhteelliseen määrään, eli saatiin tietoa siitä, miten ionit jakautuvat näissä pisaroissa. Tutkimuksessa huomattiin, että Br-ioneja on suhteellisesti paljon enemmän pinnalla kuin Clioneja. PHYSICAL REVIEW X 5, (2015) Complete Bromide Surface Segregation in Mixed NaCl=NaBr Aerosols Grown from Droplets Egill Antonsson, 1 Minna Patanen, 1 Christophe Nicolas, 1 John J. Neville, 1,2 Safia Benkoula, 1 Alok Goel, 1 and Catalin Miron 1,3,*

14 MITEN VG-Scienta R4000 Lindblad, A., Söderström, J., Nicolas, C., Robert, E., & Miron, C. A multi purpose source chamber at the PLEIADES beamline at SOLEIL for spectroscopic studies of isolated species: Cold molecules, clusters, and nanoparticles. Rev. Sci. Instrum., 2013, 84(11),

15 PINTAHERKKYYDESTÄ

16 Binding energy (ev) EGILL ANTONSSON et al Br3d Na2s Pure NaBr Counts atom% Br 2.6 atom% Br atom% Br Electron kinetic energy (ev) 70 FIG. 3. Br=Cl ion surface ratios in d ¼ 70-nm aerosols as a function of integrated Br 3d and Na 2s photoemission signals (right axis) and the resulti (left axis). The broken line represents a model with no surface segregati segregation (all bromine ions in the primary droplet end up in the surface re on a fit to the Seah-Hondros theory of surface segregation. (b) Zoom-in of th segregation is observed. Seah-Hondros malli kuvaa kuinka erilaiset materiaalit (esim. atomit) eriytyvät kiinteässä aineessa. Teoria on kehitetty kauan sitten sillä se on tärkeä esimerkiksi metalliseosten kehittämisessä ja vaikka epäpuhtauksien vaikutusten arvioinnissa. Tässä tutkimuksessa haluttiin korostaa sitä havaintoa, että aiemmin käytetyt kiinteän aineen kokeet ennustivat liian paljon bromia pinnoille, sillä kiinteässä makroskooppisessa kappaleessa sitä on käytettävissä ääretön määrä, eikä nanomittakaavan efektejä, esimerkiksi pinnan kaareutumisesta aiheutuvaa jännitystä oteta huomioon. to the volume/surface ratio. This model of complete segregation describes the experimental data well at low mixing ratios, indicating full bromine surface segregation at mixing ratios below 2%. This region is emphasized in Fig. 3(b), showing that complete surface segregation of bromine ions takes place. (iii) Lastly, the blue curve dashsurfa oppo maxi becau dotte

17 TAKAISIN NOKIHIUKKASIIN - KAHDENLAISTA HIILTÄ mustaa eli epäorgaanista hiiltä ( alkuainehiiltä ), jolla on arveltu olevan efektiivisesti ilmastoa lämmittävä vaikutus, erityisesti kun se sataa maahan orgaanista hiiltä, eli hiiltä, joka on sitoutunut muihin atomeihin kuin hiili. Tällä on arveltu olevan ilmastoa viilentävä vaikutus Figure Components of Global Average Radiative Forcing for Emissions of Principal Gases, Aerosols, and Aerosol Precursors, based on IPCC estimates. Values represent global average radiative forcing in 2005 due to emissions and changes since Total radiative forcing for CH 4 includes the effects of historical CH 4 emissions on levels of tropospheric O 3 and stratospheric H 2 O, and the CO 2 oxidation product of CH 4 from fossil sources. Similarly, total radiative forcing for N 2O includes the effect of historical N 2 O emissions on levels of stratospheric O 3. The IPCC does not report an overall uncertainty for the net contribution to forcing of individual GHG emissions. However, based on the uncertainties provided for the individual components of these contributions, the uncertainty in forcing from CO 2 and N 2 O emissions is extrapolated as being approximately 10% and approximately 20% from CH 4 emissions. Uncertainty in direct forcing is ±0.25 W m -2 for BC and ±0.20 W m -2 for both OC and SO 2. The range of forcing for the cloud albedo effect is -1.8 to -0.3 W m -2. (Adapted from Figure 2.21 of Forster et al., 2007)

18 Absorboi Sirottaa vähemmän Report to Congress on Black Carbon, United States Environmental Protection Agency (2012)

19 TOINEN ESIMERKKI, NOKIHIUKKASET Haluttiin tutkia vapaasti leijuvia nokihitusia, millaisia ne ovat heti muodostumisen jälkeen. Yleensä ne kerätään jollekin kiinteälle pinnalle, jossa niiden kemiallinen koostumus voi vielä muuttua. Tekniikkana käytettiin absorptiospektroskopiaa, eli hiukkasia pommitettiin fotoneilla, jotka virittivät hiilen 1s elektronin vapaana oleville orbitaaleille. Näiden orbitaalien energiat muuttuvat riippuen siitä, millaisesta hiilestä on kyse: onko sitoutunut happeen vai toiseen hiilen jne.

20 LIEKKEJÄ Diffuusioliekki, jossa hapetin on ympäröivä ilma. Palotapahtumaa rajoittaa hapettimen ja palokaasujen diffuusio. Liekki, jossa polttoaine ja hapetin on sekoitettu valmiiksi (premixed flame)

21 The coreeshell internal nanostructure of soot e A criterion to model soot maturity Mohammad Reza Kholghy, Armin Veshkini, Murray John Thomson * Carbon 100 (2016) Fig. 3. Left panel: The evolution of soot morphology as observed on the centerline of a laminar coflow diffusion flame [16]. Right panel: A graphical illustration of the processes considered in modeling soot formation. (A color version of this figure can be viewed online)

22 LIEKKIIN SEKOITETAAN ERI MÄÄRÄ HAPPEA -> NOESTA TULEE ERILAISTA Paljon happea -> puhdasta grafiitinomaista hiiltä Vähän happea -> orgaanista hiiltä Ouf, F.-X., F.-A. Barreda, A. Coppalle, D. Ferry, X.-J. Liu, B. Marcillaud, C. Miron, J.-B. A. Mitchell, T. Mostefaoui, C. Nicolas, M. Patanen, P. Parent, E. Robert, O. Sublemontier, J. Yon, Etude par rayonnement synchrotron X d aerosols carbones nanostructures fraichement emis, Conference proceedings of 28 eme Congres Français sur les aerosols CFA 2013, Paris, France January 2013

23 TARVITAAN TEORIAA SELITTÄMÄÄN SPEKTRIEN EROT PAREMMIN Simulaatioita partikkelien kulkeutumisesta ilmakehässä Simulaatioita partikkelien liittymisestä toisiinsa Semiklassisia simulaatioita partikkelien muodostumisesta Molekyylidynamiikkasimulaatioita Kvanttimekaniikkaa Simulaatioita itse palamisprosessista ja sen kemiasta