【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】北京理工大學(xué)材料學(xué)院賀志遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)與北京航空航天大學(xué)郭偉教授、張宏強(qiáng)副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合培養(yǎng)的博士生王雪偉，攜手河北工業(yè)大學(xué)、國(guó)家納米科學(xué)中心、北京市人工影響天氣中心等單位，近日在自發(fā)降解微塑料對(duì)大氣冰核形成的雪球效應(yīng)相關(guān)研究中取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Snowballing Impact of Spontaneously Degrading Microplastics on Atmospheric Ice Nucleation ”為題在《Journal of the American Chemical Society》上發(fā)表。
微塑料已遍布海洋、陸地與大氣，并可經(jīng)海浪飛濺、風(fēng)蝕與沙塵等途徑被輸送到高空冷區(qū)，進(jìn)入云微物理過(guò)程。它們是否會(huì)在“自然老化”后演化為強(qiáng)效的冰成核粒子？老化導(dǎo)致的粒徑、孔結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)如何聯(lián)合作用、放大其氣候影響？本研究給出了實(shí)驗(yàn)—模擬—全球情景三重證據(jù)鏈條的答案。
要點(diǎn)一：團(tuán)隊(duì)選取多類典型塑料(含新合成共聚物 P(MAM-MAA))制備不同粒徑MPs，測(cè)量溶液的結(jié)冰溫度TIN。結(jié)果表明：與“宏觀平面”相比，粒徑由300 μm 減至50 μm時(shí)TIN明顯升高；在相同質(zhì)量濃度下，粒徑越小界面接觸面積越大，冰成核更易發(fā)生；而在相同表面積條件下，粒徑效應(yīng)消失，證明主要是來(lái)自表面積的影響。
圖1 老化微塑料→INPs/CCN：作用路徑與性能評(píng)估
要點(diǎn)二：利用微流控合成了粒徑形貌一致但官能團(tuán)比例不同的 P(MAM-MAA) MPs。實(shí)驗(yàn)與分子動(dòng)力學(xué)模擬一致指出：當(dāng)MAM:MAA = 5:5時(shí)，表面–OH/–NH? 與–CH?的交替排布會(huì)有序化界面水層，其二維周期與六方冰棱柱面晶格常數(shù)實(shí)現(xiàn)近似匹配，從而顯著提升成核概率。
圖2 官能團(tuán)配比驅(qū)動(dòng)界面有序化與晶格匹配，提升結(jié)冰溫度
要點(diǎn)三：通過(guò)表面刻蝕在50 μm顆粒上構(gòu)建5–60 nm均勻孔洞。孔徑減小使TIN單調(diào)升高，按TIN反演得到的單位面積成核率J在25 nm附近出現(xiàn)躍升；配合擬合得到的能壘縮放因子Γ隨孔徑下降而顯著降低，表明納米限域+晶格匹配共同促成能壘下降。進(jìn)一步的MD模擬顯示，2–3.2 nm孔洞最易先行結(jié)冰，原因在于孔寬與冰晶格參數(shù)高度匹配且能在2–3層水分子尺度內(nèi)形成預(yù)有序水層。
圖3 納米孔徑選擇性降低成核能壘(Γ)，小孔更“催冰”
要點(diǎn)四：團(tuán)隊(duì)將云室實(shí)驗(yàn)的成核—冰晶數(shù)關(guān)系與全球空氣中MPs數(shù)據(jù)/模式(GEOS-Chem)耦合，發(fā)現(xiàn)僅微米化一項(xiàng)即可使云冰晶濃度提升至一個(gè)數(shù)量級(jí)；若疊加納米多孔化與表面官能化，在−10 °C條件下，新合成的 P(MAM-MAA)(50 μm、5 nm孔)誘導(dǎo)的冰晶數(shù)可比典型 MPs 在−20 °C時(shí)高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)，提示極端降水事件風(fēng)險(xiǎn)與區(qū)域水循環(huán)擾動(dòng)的潛在放大。
圖4 全球情景評(píng)估：老化微塑料提升冰晶數(shù)的空間分布
研究表明，微塑料在自然環(huán)境中“自發(fā)老化”會(huì)滾雪球式增強(qiáng)冰成核活性：微米化放大表面積，納米多孔化提供晶格“模具”，表面官能化構(gòu)筑有序水層并實(shí)現(xiàn)晶格匹配——三者單獨(dú)或協(xié)同均能顯著抬升TIN、提升冰晶數(shù)濃度。這意味著無(wú)需新增排放，僅憑環(huán)境中已有MPs的持續(xù)老化，就可能改變?cè)葡喾峙洹?qiáng)化區(qū)域降水并反饋氣候模型中的水循環(huán)閉環(huán)。后續(xù)應(yīng)將老化微塑料作為獨(dú)立INPs類別納入下一代云與氣候模式，同時(shí)推動(dòng)對(duì)來(lái)源、演化與暴露的綜合治理。
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