Comment se forment les aérosols

Des scientifiques de l'ETH Zurich ont mené une expérience pour étudier les premières étapes de la formation des aérosols. Leurs résultats aident maintenant à mieux comprendre et modéliser ce processus, par exemple la formation des nuages dans l'atmosphère.
Les nuages sont des gouttelettes d'eau dispersées dans l'air et donc un aérosol. (Photo : Colourbox)

Les aérosols sont des suspensions de fines particules solides ou de gouttelettes liquides dans un gaz. Les nuages, par exemple, sont des aérosols car ils sont constitués de gouttelettes d'eau dispersées dans l'air. Ces gouttelettes sont produites selon un processus en deux étapes : d'abord, un noyau de condensation se forme, puis les molécules volatiles se condensent sur ce noyau, produisant une gouttelette. Les noyaux sont souvent constitués de molécules différentes de celles qui se condensent sur eux. Dans le cas des nuages, les noyaux contiennent souvent des acides sulfuriques et des substances organiques. La vapeur d'eau de l'atmosphère se condense ensuite sur ces noyaux.

Les scientifiques dirigés par Ruth Signorell, professeure au département de chimie et de biosciences appliquées, ont acquis de nouvelles connaissances sur la première étape de la formation des aérosols, la nucléation. «Les observations ont montré que les composants volatils peuvent également influencer le processus de nucléation, explique Ruth Signorell, mais ce qui n'était pas clair, c'est comment cela se passait au niveau moléculaire.» Auparavant, il était impossible d'observer les composants volatils pendant la nucléation dans un cadre expérimental. Même dans une célèbre expérience du CERN sur la formation des nuages, l'expérience «Cloud», certains composants volatils ne pouvaient pas être directement détectés.

Des composants volatils détectés pour la première fois

Des scientifiques de l'ETH Zurich ont mis au point une expérience portant sur les premières microsecondes du processus de nucléation. Au cours de l'expérience, les particules formées restent intactes pendant ce temps et peuvent être détectées par spectrométrie de masse. Les scientifiques ont examiné la nucléation dans différents mélanges gazeux contenant du CO2 et ont pu, pour la première fois, détecter également les composants volatils, en l'occurrence le CO2. Les scientifiques ont pu montrer que les composants volatils étaient essentiels pour la formation des noyaux et ont également accéléré ce processus.

Une analyse des données expérimentales a révélé que cette accélération est le résultat de la catalyse par les composants volatils de la nucléation d'autres composants moins volatils. Ils le font en formant des agrégats moléculaires hétérogènes de courte durée de vie, connus sous le nom de complexes de chaperons. «Comme la température détermine la volatilité des composants gazeux, elle joue également un rôle décisif dans ces processus», explique la professeure Signorell.

L'une des raisons pour lesquelles les nouveaux résultats de la recherche sont intéressants est qu'ils améliorent la compréhension de la nucléation, de ses mécanismes moléculaires et de sa vitesse, afin d'en tenir compte correctement dans les modèles pour, par exemple, la formation des nuages dans l'atmosphère. En outre, les résultats devraient contribuer à améliorer l'efficacité des processus techniques de production d'aérosols - comme l'utilisation du refroidissement rapide pour capturer le CO2 du gaz naturel.

Référence

Li C, Krohn J, Lippe M, Signorell R : How volatile components catalyze vapor nucleation, Science Advances, 13 janvier 2021, doi : 10.1126/sciadv.abd9954