Ziel ist Verständnis der Mechanismen zur Partikelneubildung und Unterscheidung natürlicher und anthropogener Beiträge
28.08.2019
Die Bildung neuer Partikel und ihr anschließendes Wachstum in der Troposphäre sind wichtige Prozesse, die die Zusammensetzung der Atmosphäre und den globalen Klimawandel beeinflussen. Der Chemiker Prof. Dr. Thorsten Hoffmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat die Bewilligung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für ein Reinhart Koselleck-Projekt erhalten, um das Wachstum von besonders kleinen Partikeln zu untersuchen, wobei er einen alternativen Weg erforscht, der bisher kaum Beachtung gefunden hat. Das Projekt "Chemistry in Nanometer Particles: Unique Breeding Sites for Oligomers?" wird über einen Zeitraum von fünf Jahren mit rund 915.000 Euro gefördert. Reinhart Koselleck-Projekte werden für besonders innovative und im positiven Sinne risikobehaftete Forschung gewährt.
Die Bildung neuer Teilchen, auch als Keimbildung bezeichnet, ist der Ausgangspunkt für etwa die Hälfte der Wolkenkondensationskeime in der Atmosphäre und beeinflusst damit die Eigenschaft von Wolken und die Energiebilanz der Erde. Ultrafeine atmosphärische Teilchen mit einer Größe unter 100 Nanometern stellen außerdem ein Gesundheitsrisiko dar, weil sie sehr tief in die Atemwege eindringen können. Zwar wurden in den letzten Jahren neue Erkenntnisse über die ersten Schritte der Partikelbildung erlangt, aber eine offene Frage ist weiterhin, was genau das weitere Wachstum von Nanopartikeln nach ihrer initialen Entstehung antreibt.
Chemische Reaktionen zur Bildung von Oligomeren durch hohen Druck begünstigt
Diese Frage werden Prof. Dr. Thorsten Hoffmann und sein Arbeitskreis mit einem neuen Ansatz erforschen. Sie gehen dabei davon aus, dass die Partikelembryonen selbst eine einzigartige Umgebung liefern, um chemische Reaktionen zu beeinflussen und ein Wachstum zu ermöglichen. Eine besondere Eigenheit der Nanoteilchen ist nämlich der zunehmende Innendruck beziehungsweise Laplace Druck, der durch die Oberflächenspannung hervorgerufen wird. Dabei gilt: je kleiner das Teilchen, desto höher der Druck.
"Chemische Reaktionen, die zur Bildung größerer Moleküle aus kleineren Bausteinen führen, werden durch einen höheren Druck begünstigt. Dadurch können solche Reaktionen, die wir als Oligomerisierung bezeichnen, gerade bei besonders kleinen Partikeln eine wichtige Rolle spielen", erklärt Hoffmann. Zwar kann der Druck in Nanoteilchen nicht direkt gemessen werden, es gibt aber zahlreiche Hinweise darauf, wie er wirkt. Bei Teilchen von 10 Nanometer Größe wird ein Innendruck von etwa 200 bar erreicht, das würde dem Druck in 2.000 Meter Meerestiefe entsprechen.
Chemische Reaktionen, die von der Größe der Partikel abhängen, können daher eine entscheidende Rolle im Lebenszyklus von atmosphärischen Aerosolen spielen. Sie würden eine Lücke schließen zwischen der initialen Entstehung von Partikelembryonen und dem Wachstum zu größeren Teilchen, die eine bessere Überlebenswahrscheinlichkeit haben und an denen sich schließlich Wolkentröpfchen bilden können. "Wir wollen sozusagen die kritische Säuglings- und Kleinkindphase der Partikel untersuchen, wenn die Teilchen nach ihrer Geburt auf Prozesse angewiesen sind, die ihnen ein schnelles Wachstum in Größenbereiche erlauben, in denen sie dann im Erwachsenenalter ihren atmosphärischen Aufgaben nachgehen können", so Hoffmann. Die Untersuchungen erfolgen mit hochauflösender Massenspektrometrie – eine große Herausforderung, da nur sehr wenig organisches Material von einem milliardstel bis einem billionstel Gramm zur Verfügung steht.
"Unser Ziel ist es, die Mechanismen der Partikelneubildung zu verstehen, um schließlich unterscheiden zu können, was durch natürliche Quellen wie Wälder und was durch menschengemachte Effekte verursacht wird", fasst Hoffmann zusammen. Aber auch wenn die Arbeit durch atmosphärenchemische Fragestellungen motiviert ist, kann das erarbeitete Wissen über größenabhängige chemische Reaktionen auch zu einem besseren Verständnis von Gleichgewichtsreaktionen in organischen Nanoreaktoren beitragen und – in einem sehr allgemeinen Sinn – ebenfalls Beiträge zum Verständnis der Entstehung des Lebens liefern.
Reinhart Koselleck-Projekte für besonders innovative Forschungsvorhaben
Die Reinhart Koselleck-Projekte der DFG bieten einen Freiraum für besonders innovative und risikobehaftete Forschung. Die Förderung wird an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben, die sich durch besondere wissenschaftliche Leistung ausgewiesen haben.