Ansökan: Molekylfysikalisk miljövetenskap för vätskor och nanopartiklar i luft, vatten och jord

Tidsperiod:

1 januari 2011 – 31 december 2014

Projektledare:

Olle Björneholm

Projektdeltagare:

Maxim Tchaplyguine, Gunnar Öhrwall

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 200 000 SEK

Nya Mikroskopiska Perspektiv på Nanopartiklar och Vätskor i Jord, Luft och Vatten: Molekylfysikalisk Miljövetenskap med Synkrotronljus

Jorden sedd från rymden domineras av blått, grönt och vitt. Dessa tre färger motsvarar olika vattensystem i biosfären, livets tunna region. I både haven, luften och jorden sker en mängd processer på molekylär nivå, särskilt i gränsskikt mellan vatten och luft samt mellan vatten och fasta material. Vårt projekt syftar till att ta fram nya mikroskopiska, sub-molekylära perspektiv på sådana fenomen och processer av betydelse för övergripande frågor som klimat, miljö och energi. Detta kommer att förbättra vår förståelse av naturen, samt bidra till utvecklingen av nya teknologier för hållbar utveckling. Vi kommer att studera frågeställningar inom molekylfysikalisk miljövetenskap som hör samman med nanopartiklar och vätskor med hjälp av röntgenstrålning vid det svenska nationella synkrotronstrålningslaboratoriet MAX-lab i Lund. Forskningen är tvärvetenskaplig, och som fysiker är därför våra samarbetspartners viktiga. För atmosfärsforskning ingår vi i ett nordiskt nätverk som förenar olika angreppssätt, t ex fältobservationer, laboratorieexperiment, kvantkemiska modelleringar samt storskalig klimatmodellering. För problemställningar som rör mark och vatten samarbetar vi med forskare från Sveriges Lantbruksuniversitet (SLU).

Nanopartiklars betydelse i atmosfären uppmärksammas allt mer. De påverkar klimatet genom att öka reflektionen av inkommande solstrålning, samt genom att främja molnbildning, av IPCC identifierat som en viktig osäkerhet i klimatmodellering. Nanopartiklar har även föreslagits kunna användas för att motverka den ökande växthuseffekten. I atmosfären finns en mängd typer av nanopartiklar, både naturliga och människogjorda, oftast innehållande vatten samt till exempel saltjoner från havet, organiska molekyler från skogar och mineralpartiklar från torra jordar, sotpartiklar från förbränning och molekylära föroreningar. Vår roll i forskningsnätverket för atmosfärsvetenskap är laboratoriestudier av sådana nanopartiklar. Vi kommer att särskilt att studera hur deras ytor skiljer sig från deras inre. Beroende på nanopartiklarnas sammansättning och bildningssätt kan vissa joner och molekyler förekomma i större eller mindre mängd på ytan än i det inre. Detta påverkar nanopartiklarnas egenskaper, till exempel så är joner och molekyler på ytan mer kemiskt aktiva än de som är ?gömda? i det inre. En annan viktig fråga rör svavelsyra, som på grund av sin starka bindning till vattenmolekyler tycks spela en nyckelroll i de första mikroskopiska kondensationsstegen som leder mot droppar. Vi kommer att studera hur många vattenmolekyler som behövs för att svavelsyran ska stabiliseras i sin joniska form i de första mikroskopiska kondensationsstegen. Vi kommer att utforska dessa ännu mycket ofullständigt kända atmosfäriska fenomen, med målet att få fram kvantitativa data som kan tas med i klimatmodellering via nätverket.

Jord kan enkelt beskrivas som en tät och våt blandning av mineralpartiklar och organiskt material, det vill säga växtrester i varierande grad av nedbrytning. I samarbete med vatten- och markvetare från SLU kommer vi att bedriva forskning i två riktningar. Den ena rör fosfor, en viktig del av konstgödsel. Beroende på vattnets pH kan fosforsyra bilda olika former. Vi kommer att studera hur dessa olika former fördelar sig mellan ytan och det inre i vattnet, samt mellan vattnet och ytorna hos olika mineralpartiklar. Detta är av stor betydelse för både transporten av fosfor från mark/vatten till atmosfären, samt för möjligheterna att utvinna respektive oskadliggöra fosfor genom bindning till ytor där så önskas. Den andra riktningen rör bindning av miljöfarliga tungmetaller till organiskt material. Organiskt material, som till exempel rötslam och humus, består en komplex blandning av stora organiska molekyler. Till dessa kan tungmetaller binda, och huruvida dessa är så starkt bundna at