Аморфные и кристаллические аэрозольные частицы, взаимодействующие с водяным паром: концептуальная основа и экспериментальные свидетельства перестройки, фазовых переходов и кинетических ограничений

Взаимодействие с водой имеет ключевое значение для свойств, трансформации и климатических эффектов атмосферных аэрозолей. В настоящей работе представлена концептуальная основа взаимодействия аморфных аэрозольных частиц с водяным паром, описывающая характерные особенности и различия по сравнению с кристаллическими частицами. Для характеристики гидратации и дегидратации кристаллических частиц сульфата аммония, аморфной щавелевой кислоты и аморфного левоглюкозана (диаметр около 100 нм, относительная влажность 5–95% при 298 К) использовали тандемный дифференциальный анализатор подвижности частиц для измерения гигроскопичности (H-TDMA). Экспериментальные данные и сопутствующие расчёты по модели Кёлера дают новые сведения о микроструктуре частиц, поверхностной адсорбции, объёмной абсорбции, фазовых переходах и гигроскопическом росте. Результаты этих и других связанных исследований позволяют сделать следующие выводы: (1) Многие органические вещества, включая карбоновые кислоты, углеводы и белки, при высушивании капель водных растворов склонны образовывать аморфные, а не кристаллические фазы. В зависимости от вязкости и микроструктуры аморфные фазы могут быть классифицированы как стёкла, резиноподобные фазы, гели или вязкие жидкости. (2) Аморфные органические вещества склонны поглощать водяной пар и претерпевать постепенное расплывание и гигроскопический рост при более низкой относительной влажности, чем их кристаллические аналоги. (3) В ходе гидратации и дегидратации некоторые органические вещества могут образовывать резиноподобные или гелеподобные структуры (супрамолекулярные сети) и переходить между набухшими и коллапсированными сетчатыми структурами. (4) Органические гели или (полу)твёрдые аморфные оболочки (стеклообразные, резиноподобные, сверхвязкие) с низкой молекулярной диффузией могут кинетически ограничивать поглощение и высвобождение воды и влиять на гигроскопический рост и активацию аэрозольных частиц в качестве ядер конденсации облаков (CCN) и ледяных ядер (IN). Кроме того, (полу)твёрдые аморфные фазы могут влиять на поглощение газообразных фотоокислителей и химическое превращение …