Os investigadores há muito que lutam contra as incertezas sobre a formação de aerossóis e o seu impacto no aquecimento global. Um estudo recente liderado pelo professor George Shields e pelos estudantes de graduação da Furman University, Olivia Longsworth e Connor Brady, fornece informações importantes sobre os estágios iniciais da formação de aerossóis. O estudo, publicado na revista Environmental Science: Atmospheres, analisou as interações entre moléculas atmosféricas comuns, como ácido sulfúrico, ácido fórmico, ácido clorídrico, amônia e dimetilamina.
Os aerossóis atmosféricos influenciam significativamente o clima da Terra, espalhando, absorvendo e emitindo radiação solar. Compreender como estes aerossóis se formam é fundamental porque o seu impacto no clima é uma das principais fontes de incerteza nos modelos climáticos atuais. Aerossóis secundários originados de reações em fase gasosa são particularmente importantes porque atuam como núcleos de condensação de nuvens (CCNs), promovendo a formação de nuvens.
O estudo concentra-se na formação de aglomerados de pré-nucleação, que são precursores de partículas maiores de aerossol. Esses aglomerados são formados por interações entre ácidos, bases e monômeros precursores de moléculas orgânicas. No entanto, decifrar as interações detalhadas que levam à pré-nucleação e subsequente formação de aerossol tem sido um desafio. A equipe de pesquisa utilizou a química computacional para explorar essas interações, realizando uma análise abrangente da formação de clusters.
Ao examinar combinações de três ácidos (ácido sulfúrico, ácido fórmico, ácido clorídrico) e duas bases (amônia, dimetilamina), os pesquisadores descobriram sutilezas na formação de complexos antes da nucleação. Usando cálculos químicos quânticos avançados, eles conduziram uma busca exaustiva na superfície de energia livre de Gibbs desses sistemas. Seus resultados mostraram que o ácido nítrico formou interações mais fortes em aglomerados secos do que o ácido clorídrico. Contudo, à medida que os aglomerados de hidratação aumentam, o ácido clorídrico torna-se mais favorável.
O professor Shields enfatiza a importância deste trabalho: “Nosso estudo detalhado da interação do HCl com dois outros ácidos e duas bases revela as sutilezas da formação de complexos antes da nucleação. A topologia da ligação de hidrogênio e as interações estruturais desempenham um papel crucial, muitas vezes excedendo as ideias convencionais de força de ácido ou base. “
O estudo destaca que a geometria detalhada de cada cluster mínimo de energia livre é mais importante do que a força ácido/base tradicional para prever quais espécies atmosféricas impulsionam o crescimento pré-nucleação. Os resultados dos investigadores mostraram que enquanto o ácido nítrico é mais eficaz em condições secas, o ácido clorídrico torna-se mais estável quando hidratado.
Seu método envolve a simulação de várias combinações de ácidos e bases com até três moléculas de água. Esta abordagem integrada permitiu-lhes prever a concentração de equilíbrio do sistema ácido sulfúrico-ácido fórmico-ácido clorídrico-amônia-dimetilamina-água. Eles descobriram que diferentes ácidos estabilizam aglomerados de pré-nucleação em diferentes estágios de crescimento, fornecendo informações valiosas para estudos futuros de formação de aerossóis.
No geral, este estudo destaca a complexidade da formação de aerossóis e o papel crítico das interações moleculares específicas. Compreender estas fases iniciais é fundamental para melhorar os modelos climáticos e prever com precisão o impacto dos aerossóis no aquecimento global. A análise computacional detalhada apresentada pelos professores Shields, Longsworth e Brady é um passo importante na elucidação da complexidade da química atmosférica. Neste artigo, o terceiro de uma série publicada na revista, o grupo de Shields estudou diferentes combinações de ácidos e bases que se unem às moléculas de água.
Referência do diário
Olivia M. Longsworth, Connor J. Brady e George C. Shields. “Efeitos impulsionadores de moléculas atmosféricas comuns na formação de aglomerados: um estudo de caso de ácido sulfúrico, ácido fórmico, ácido clorídrico, amônia e dimetilamina.” Ciência Ambiental: Atmosferas, 2023. doi: https://doi.org/10.1039/D3EA00087G
Longsworth, Olivia M., Connor J. Brady, Macy S. Joines e George C. Shields. “Efeitos de condução de moléculas atmosféricas comuns na formação de aglomerados de pré-nucleação: Um estudo de caso de ácido sulfúrico, ácido nítrico, ácido clorídrico, amônia e dimetilamina” Ciência Ambiental: Atmosferas, 2023. doi: https://doi.org/10.1039/D3EA00118K
Longsworth, Olivia M., Connor J. Brady, Vance R. Fowler, Leah A. Uechter, Luke A. Cuffman, Grace E. Mazaleski e George C. Shields. “Efeitos de condução de moléculas atmosféricas comuns na formação de aglomerados de pré-nucleação: exemplos de ácido sulfúrico, ácido fórmico, ácido nítrico, amônia e dimetilamina” Conor J. Bready, Vance R. Fowler, Leah A. Juechter, Luke A. Kurfman, Grace E. Mazaleski e George C. Shields, Environmental Science: Atmospherics, 2022. doi: https://doi.org/10.1039/D2EA00087C
Sobre o autor
George Escudos é professor de química na Furman University, onde leciona química geral e físico-química. Sua pesquisa com mais de 140 estudantes de graduação trabalhando em seu laboratório tem sido amplamente citada. Ele é coautor de 116 artigos revisados por pares, incluindo 75 artigos com 70 estudantes de graduação trabalhando em seu grupo de pesquisa. Ele recebeu o prêmio de pesquisa institucional de graduação da American Chemical Society (ACS) em 2015 e o prêmio de pesquisa translacional e excelência em educação da Science Advances Research Corporation em 2018. Ele foi eleito membro da ACS e da Associação Americana para o Avanço da Ciência. Ele recebeu o prêmio Research Fellow do Council for Undergraduate Research (CUR) em 2020 e o CUR-Goldwater Scholar Award em 2022. Mais de 90% de seus alunos de graduação foram admitidos em escolas de pós-graduação ou profissionais. Seus alunos de graduação receberam 45 prêmios nacionais, incluindo 4 prêmios Fulbright, 15 prêmios Goldwater e 8 bolsas de pós-graduação.
Connor Pãozinho Turma de 2024 do Furman College. Ele recebeu o Beckman Scholar Award e a Goldwater Fellowship. Publicou 8 artigos enquanto trabalhava no laboratório Shields. Ele recebeu uma bolsa de pós-graduação no Departamento de Ciência Computacional de Energia e iniciou estudos de pós-graduação em química teórica na UC Berkeley em agosto.
Olivia Longsworth está no último ano do Furman College e se formará em 2025. Ela é bolsista da Goldwater. Até o momento, ela publicou três artigos enquanto trabalhava no laboratório de Shields. Ela planeja frequentar a faculdade de medicina e preencher a lacuna entre o mundo da pesquisa e o mundo clínico.
