Experimenty s molekulovými paprsky v Ústavu Heyrovského chtějí rozšířit způsob výzkumu aerosolů

Praha, 15. 2. 2023

Aerosoly mají zásadní vliv na počasí i globální oteplování. Tyto velmi malé částečky se ovšem obtížně studují v přírodě. Jejich chování dlouhodobě zkoumají v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, využívají k tomu unikátní přístroj CLUB a podmínky vzniku aerosolů studují pomocí molekulových paprsků. Díky tomu by se mohl změnit způsob výzkumu těchto směsí a zpřesnit třeba atmosférické modely.

Směsi pevných nebo kapalných částic v plynu, třeba dým, mlha či opar – neboli aerosoly, odpovídají v atmosféře za řadu důležitých procesů od globálního oteplování a úbytku ozonové vrstvy přes sníženou viditelnost až po předčasná úmrtí ve znečištěných oblastech. Přestože se výzkumu jejich vlastností a chování v atmosféře věnuje značná pozornost, stále nejsou dostatečně prozkoumány, což může mít vliv např. na přesnost modelů vývoje klimatu.

Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského Akademie věd ČR (ÚFCH JH) studují klastry neboli soubory molekul (od dvou do tisíců molekul) pomocí přístroje CLUB (z anglického „CLUster Beam apparatus) v molekulových paprscích. Experimentálně tak zjišťují, jak se jednotlivé molekuly spojují do klastrů. Následně zkoumají samotné klastry, které letí izolované ve vakuu a provádějí s nimi různé experimenty. Studují například, jak spolu reagují jednotlivé molekuly v klastrech, případně k jakým procesům dochází při interakci klastrů (např. aerosolů) s fotony či elektrony.

Experimenty upřesňují parametry atmosférických modelů

Badatelé v jednom z experimentů studovali, jak se na klastrech hydratované kyseliny zachytávají různé atmosférické molekuly, zejména tzv. těkavé organické látky a jejich zoxidované analogy. Experimenty ukázaly, že po oxidaci řádově narůstá pravděpodobnost záchytu na klastrech, což vede k tvorbě aerosolů v atmosféře.

„Zároveň se nám podařilo dopovat klastry hydratované kyseliny dvěma různými molekulami zásaditých látek po sobě a sledovat detailní průběh acidobazických reakcí v těchto klastrech na molekulové úrovni. A to jsou přesně ty reakce, které probíhají v atmosférických aerosolech,“ říká Michal Fárník, autor studie z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR.

Přehledovou studii uveřejnil časopis The Journal of Physical Chemistry Letters.

Nový způsob studia aerosolů – ani v počítači, ani v atmosféře

V oblasti výzkumu aerosolů není analýza pomocí molekulových paprsků zatím příliš rozšířená. V současné době se využívají spíše výpočetní postupy či zachytávání aerosolů přímo v atmosféře. Badatelé z ÚFCH JH doufají, že techniky použití molekulových paprsků přinesou do tohoto výzkumu nový rozměr.

„My se snažíme ukázat, že tento relativně náročný experiment může poskytnout podobně detailní vhled do aerosolů jako teoretické výpočty, které se využívají v tomto oboru běžně. Experimenty v molekulových paprscích tak představují určitý most mezi teoretickou chemií a výzkumem aerosolů přímo v atmosféře,“ dodává Michal Fárník.

Přístroj CLUB pro studium klastrů molekul je světově unikátní

V přístroji CLUB, který se ke studiu klastrů pomocí molekulových paprsků používá, vědci pouští plyn malým otvorem do vakuové komory. Při průchodu tryskou mají molekuly tendenci se spojovat a vytvářet tak klastry. Ve vakuu pak jsou již klastry stabilní a lze s nimi provádět další experimenty. Vědci z ÚFCH JH v současné době dokážou v aparatuře vytvořit klastry, které se jak svým složením, tak i velikostí přibližují reálným atmosférickým aerosolům a dokážou proto sledovat na molekulové úrovni v laboratoři procesy, které se v atmosféře skutečně odehrávají. Na základě toho lze upřesnit parametry vstupující do různých atmosférických modelů.

CLUB byl původně postaven v Institutu Maxe Plancka v německém Göttingenu, kde na něm Michal Fárník pracoval v rámci svého postdoktorandského pobytu a odkud jej v roce 2005 převezl do Prahy. V ÚFCH JH vznikla okolo přístroje nová experimentální skupina, která přístroj modifikovala a rozšířila o nové experimenty. Světově unikátním je CLUB tím, že na něm lze provádět několik různých experimentů s klastry zároveň v jednom molekulovém paprsku, což umožňuje přímé srovnávání výsledků několika různých experimentů.

Více informací:    

doc. Mgr. Michal Fárník, Ph.D., DSc.
Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR
michal.farnik jh-inst.cas.cz
+420 266 053 206