Un enigma que ha dejado perplejos a los científicos es cómo se forman nuevas partículas en la atmósfera. Saben cómo los aerosoles pueden crecer en tamaños lo suficientemente grandes como para sembrar gotas de nubes, pero esas mismas teorías no logran explicar cómo se desarrolla el núcleo de partículas inicial. Los investigadores han resuelto el misterio de la nucleación, lo suficientemente lejos como para identificar pequeños grupos de ciertos tipos de moléculas como el paso clave. Todavía, El mecanismo subyacente de por qué algunas moléculas orgánicas oxidadas formaron grupos con bisulfato sobre otras no estaba claro. Para mejorar la predictibilidad de la nucleación en modelos, los investigadores necesitan una comprensión fundamental de lo que está sucediendo a nivel molecular.

Los científicos saben que las moléculas gaseosas se combinan para crear nuevas partículas. En esta etapa de nucleación, las partículas, que tienen menos de dos nanómetros de tamaño, son demasiado pequeños para la medición individual utilizando instrumentos disponibles comercialmente, según Xue-Bin Wang, un químico físico en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. Esta limitación de tamaño es donde Wang pensó que su equipo podría contribuir.

En un artículo publicado recientemente en Química de las comunicaciones titulado "Observación directa de interacciones moleculares jerárquicas críticas para la formación de aerosoles biogénicos, "Wang describió cómo él y sus coautores estudiaron la mecánica de la nucleación de aerosoles utilizando espectroscopía fotoelectrónica personalizada y cálculos químicos cuánticos. Basado en trabajos anteriores, eligieron cuidadosamente sus grupos sustitutos de una molécula de bisulfato y un compuesto orgánico oxidado para representar las diversas propiedades de muchas especies orgánicas que se encuentran en la atmósfera. Al examinar en detalle las estructuras químicas y las propiedades físicas de los grupos, intentaron comprender cuáles podrían ser las fuerzas críticas en la formación de una nueva partícula a partir de sus interacciones moleculares básicas.

De su trabajo, los investigadores descubrieron un hallazgo importante:los grupos funcionales, esos grupos específicos de átomos en una molécula que tienden a tener las mismas características independientemente de la molécula en la que se encuentren, de la materia orgánica compuesta.

Los aerosoles atmosféricos pueden afectar el equilibrio radiativo de la Tierra de múltiples formas, pero son complejos y, por lo tanto, difíciles de modelar. Tener una mejor comprensión de cómo se forma un nuevo aerosol guiará los modelos y reducirá la incertidumbre en las predicciones del cambio climático.

Dado el pequeño tamaño de estas nuevas partículas, determinar cuáles son las fuerzas impulsoras a nivel molecular es esencial. Los investigadores quieren saber cómo determinar la probabilidad de que una molécula orgánica específica forme un grupo estable con una molécula de bisulfato.

"En el campo de la química atmosférica, la gente normalmente usa el estado de oxidación o la relación carbono-oxígeno para describirlo, pero eso no es suficiente, ", dijo Wang. Según los nuevos hallazgos, "Los grupos funcionales es el lenguaje más preciso para describirlo".

Si los grupos funcionales pueden indicar qué tan estable será un clúster, los investigadores pueden determinar cuánto tiempo puede sobrevivir en el aire como un cúmulo y, por lo tanto, su probabilidad de formar una partícula. Esta información se puede emparejar con las concentraciones conocidas de las moléculas orgánicas que forman grupos para predecir el número de partículas para el modelado.

Si los científicos pueden comprender mejor por qué se forman nuevas partículas, pueden desarrollar nuevas pautas para modelos que utilizan impactos de aerosoles en sus estimaciones. En las primeras etapas, estos nuevos, las partículas diminutas no siguen las mismas teorías de crecimiento que las partículas más grandes, por lo que los investigadores deben averiguar qué reglas siguen. Para hacerlo Wang y su equipo estudiaron los parámetros químicos fundamentales a escala molecular.

Investigaciones anteriores en el campo y en el laboratorio identificaron pequeños grupos compuestos por una molécula de bisulfato y una o dos moléculas orgánicas. Estos estudios sugirieron que la formación de estos grupos es el paso que limita la velocidad en la nucleación de nuevas partículas. Para determinar si un grupo con una molécula orgánica específica se ve favorecido sobre un grupo con otra, Los investigadores se han basado en las propiedades de la estructura del carbono de cada molécula, como el estado de oxidación del carbono o la proporción de átomos de carbono a oxígeno. Todavía, estos parámetros no pueden predecir todos los casos.

El equipo de Wang decidió que, al investigar a fondo las propiedades del clúster, como sus estructuras, energéticos, y termodinámica, el uso de espectroscopía y cálculos teóricos podría arrojar algo de luz. Eligieron estudiar una gama de moléculas orgánicas oxidadas derivadas del α-pineno, una de las plantas más abundantes, o biogénico, emisiones.

El artículo de Communications Chemistry titulado "Observación directa de interacciones moleculares jerárquicas críticas para la formación de aerosoles biogénicos" describe la investigación única en detalle. El proceso incluyó generar los grupos con ionización por electropulverización y caracterizarlos mediante espectroscopía fotoelectrónica de iones negativos criogénicos. En el lado teórico, los investigadores utilizaron cálculos químicos cuánticos y simulaciones de dinámica molecular para cuantificar cómo se estabilizan los cúmulos.

El equipo descubrió que las fuerzas intermoleculares de los grupos funcionales son las que estabilizan los grupos. Los enlaces de hidrógeno dan a los grupos de embriones una tasa de evaporación lo suficientemente baja como para que permanezcan en la atmósfera el tiempo suficiente para interactuar con otras moléculas y crecer. El equipo también determinó que los grupos funcionales caen en una jerarquía; por ejemplo, el grupo carboxílico tiene una interacción más fuerte con la molécula de bisulfato que el grupo hidroxilo. Este descubrimiento fundamental proporciona una comprensión más clara de la formación de nuevas partículas.

Porque este trabajo es un estudio fundamental, los investigadores quieren verificar que sus hallazgos sean ciertos en la atmósfera. Dada la abundancia de agua en la atmósfera, Wang anticipa agregar moléculas de agua a las mediciones de grupos como uno de los próximos pasos. También espera colaborar con sus colegas científicos líderes en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales W. R. Wiley en PNNL para determinar cómo se pueden probar las predicciones de su equipo en experimentos físicos. Dichas confirmaciones pueden fortalecer la confianza en modelos que consideran grupos funcionales al evaluar qué moléculas orgánicas son importantes para la formación de nuevas partículas.