PM2.5中新粒子怎样形成？关键在这两个分子

茫茫人海，两个人相遇是缘分；从地球上133倍的气体分子中，找出两个最关键的分子——一个气体硫酸分子和一个二甲胺分子，使它们相遇在一起，那么大气中可能会有新的粒子形成事件。

经过7年的努力，复旦大学的研究人员首次发现并证实了硫酸-二甲胺-水在中国典型城市大气中的三元成核现象，揭示了上海“新大气颗粒物”形成的化学机制，为制定中国大气颗粒物污染防治政策提供了新的科学依据。最近，这项成就发表在《科学》杂志上。

未解之谜

城市空气污染物中的纳米微粒是如何由无数空气分子中的关键分子形成的？被污染的城市大气中新粒子形成的化学和物理机制一直是一个未解之谜。

在这一形成过程中，从小于1纳米的气态前体分子到大约2纳米的分子簇，再到几纳米的纳米微粒，其质量和粒径都非常小，可以说是“不可见和无形的”，从而对科学研究人员的测量提出了巨大的挑战。

针对这一问题，复旦大学环境科学与工程系的王林团队于2014年在上海进行了为期两年的连续大气观测。他们与芬兰赫尔辛基大学的科学家一起，完成了对一年半内收集的大量数据的系统整理和深入分析。他们测量了上海城市大气中700 nm之间大气粒子的粒度分布浓度，获得了新大气粒子的形成速率和增长率，还获得了新大气粒子形成过程中大气中性和带电分子团簇的化学组成。

通过研究，他们发现在新的大气粒子的形成过程中，气态硫酸分子和二甲胺分子通过氢键随机碰撞形成稳定的分子团。分子簇通过与其他硫酸分子、二甲胺分子或其他硫酸-二甲胺簇的碰撞继续生长。达到一定尺寸后，其他物种(如挥发性极低的有机化合物)开始加入这一过程，并最终形成新的大气粒子。

二次成型过程

人们普遍认为，工厂和汽车的废气排放是造成颗粒物污染的主要原因之一。这是人类活动或自然活动造成的大气颗粒物的直接排放。研究人员王力可·林称之为“初级排放”。除了“一次排放”之外，颗粒物的“二次形成”经常发生在空气中。

“二次形成”的过程更加复杂。王林告诉《每日科学》说，这一过程大致可以分为两种类型:第一种是空气中的挥发性气体通过化学反应产生饱和蒸汽压较低的反应产物，这些反应产物会凝结在现有粒子的表面，增加粒子的质量浓度；另一个过程将大大增加粒子的数量和浓度。大气中的一些气体分子随机碰撞，通过分子间作用力或化学键产生分子团。分子团簇的进一步生长形成了纳米微粒，即大气中的新粒子，在此期间发生了从气态到凝聚态的相变。这些纳米微粒的持续生长会造成大气中的PM2.5污染。

“二次形成使得大气中的粒子变得更重，数量更多。我们的研究小组目前正专注于变得越来越多的过程，并研究城市空气中新的大气粒子是如何形成的。”王林说道。

王林认为，在中国典型的城市环境中，除了加强对污染物一次排放的监测和管理外，对“二次形成”也应给予同等程度的重视。

由于本研究提出的化学机理，参与大气中新粒子形成的关键化学物种将得到更有针对性的控制，从而有望有效降低空气中粒子的数量和浓度，减少我国大气粒子的污染。即使从更大的角度来看，将这一机制应用于全球气候模型，也能更好地模拟全球大气粒子甚至云凝结核的数量，更好地了解整个地球的气候变化趋势。

谈到项目实施后的发展，王林说:“我们的研究还有很多值得进一步探索的地方，这个项目以后还会继续。”他希望研究结果能进一步阐明我国城市大气中新粒子形成的主要控制因素，并了解城市大气中新粒子的形成与烟雾形成之间的关系。

(上海，7月23日，《科技日报》)