Nucleazione e crescita di aerosol antropogenici
Gli aerosol, particelle di dimensioni variabili dal nanometro a diversi micron in sospensione in un gas, sono ubiquitari in atmosfera e suoi costituenti. Dal 2005 presso il Laboratorio Laser e di Spettrometria di Massa dell’Istituro Motori si svolgono studi che si propongono di contribuire alla comprensione della formazione di nuove particelle atmosferiche di origine antropica, monitorando la nucleazione da fase gassosa in esperimenti da laboratorio e, contemporaneamente, studiando struttura ed energetica dei cluster, possibili “seed” di nucleazione.
La spettrometria di massa a tempo di volo, combinata con fascio supersonico e fotoionizzazione accordabile nell’ultravioletto da vuoto vicino alla soglia di ionizzazione (SPI o Single Photon Ionization), è il metodo utilizzato per lo studio dei cluster precursori degli aerosol.
Le principali caratteristiche della ionizzazione intorno a soglia, con energia della radiazione accordabile nel campo 7-12 eV, sono di a) ridurre la frammentazione dei complessi molecolari debolmente legati, e b) consentire una spettroscopia (selettiva) di ionizzazione.
Sono investigati cluster di sostanze organiche in cui prevale un legame tipo van der Waals oppure legami idrogeno, presenti negli aggregati di sostanze organiche con molecole d’acqua, importanti perché possibili precursori di aerosol atmosferici. Studi di modellistica quanto-meccanica sono condotti a supporto alle attività sperimentali, per investigare la struttura e l’energetica di cluster, nonché meccanismi di dinamica molecolare conseguenti il processo di fotoionizzazione.
Sono inoltre in corso esperimenti sul doping di molecole con sodio per la realizzazione di sizer di aerosol ultrafini basati su ionizzazione UV e spettrometria di massa.
Il metodo di Na-doping consiste nel legare un atomo di sodio ai complessi molecolari in esame. Ne risulta un notevole abbassamento del potenziale di ionizzazione dei complessi, determinato dalla presenza del sodio, e quindi una ionizzazione quasi fragmentation-free utilizzando sorgenti laser UV convenzionali.
Lo scopo è migliorare la rivelazione degli aerosol per consentire uno studio mirato dell’influenza di emissioni antropogeniche sulla formazione di aerosol in atmosfera.
Fotoionizzazione VUV-SPI di cluster di toluene: dal confronto delle curve di fotoionizzazione ed i risultati dei calcoli DFT su probabili strutture di cluster stacked e not-stacked è stato dedodotto un meccanismi di crescita di tali cluster in cui i dimeri sono i “seed” più probabili della nucleazione.
Processi di fotoionizzazione in cluster idrati. L’addizione dall’acqua all’aggregazione di cluster può avere effetti significativi: le tipiche serie di elevata stabilità rivelate negli spettri di massa dei cluster di eteri con H2O sono conseguenti a meccanismi di proton transfer multipli per cui, in seguito alla fotoionizazione, il cluster si riadatta consentendo ad un protone di migrare prima tra molecole dell’etere e successivamente all’acqua a cui si lega formando un core stabile H3O+.
Tipica distribuzione di massa di cluster di acqua drogati con sodio.
Apparato sperimentale SPI/MB/TOFMS (Single Photon Ionization, Molecular Beam /Time of Flight Mass Spectrometer) presso il Laboratorio Laser e di Sprettrometria di Massa dell’Istituto Motori.
COLLABORAZIONI:
- National Institute of R&D of Isotopic and Molecular Technology Cluj-Napoca, Romania
- Dip. di Ingegneria Chimica, dei Materiali e delle Produzioni Industriali, Universita’ di Napoli Federico II, Napoli
- Dip Chimica, Universita’ di Napoli Federico II, Napoli