北理工團(tuán)隊(duì)在微塑料促進(jìn)冰成核領(lǐng)域取得新進(jìn)展
發(fā)布日期:2025-09-23 供稿:材料學(xué)院 攝影:材料學(xué)院
編輯:劉曉雪 審核:程興旺 閱讀次數(shù):
北京理工大學(xué)材料學(xué)院賀志遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)與北京航空航天大學(xué)郭偉教授、張宏強(qiáng)副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合培養(yǎng)的博士生王雪偉,攜手河北工業(yè)大學(xué)、國(guó)家納米科學(xué)中心、北京市人工影響天氣中心等單位,近日在自發(fā)降解微塑料對(duì)大氣冰核形成的雪球效應(yīng)相關(guān)研究中取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Snowballing Impact of Spontaneously Degrading Microplastics on Atmospheric Ice Nucleation ”為題在《Journal of the American Chemical Society》上發(fā)表。
微塑料已遍布海洋、陸地與大氣,并可經(jīng)海浪飛濺、風(fēng)蝕與沙塵等途徑被輸送到高空冷區(qū),進(jìn)入云微物理過(guò)程。它們是否會(huì)在“自然老化”后演化為強(qiáng)效的冰成核粒子?老化導(dǎo)致的粒徑、孔結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)如何聯(lián)合作用、放大其氣候影響?本研究給出了實(shí)驗(yàn)—模擬—全球情景三重證據(jù)鏈條的答案。
要點(diǎn)一:團(tuán)隊(duì)選取多類典型塑料(含新合成共聚物 P(MAM-MAA))制備不同粒徑MPs,測(cè)量溶液的結(jié)冰溫度TIN。結(jié)果表明:與“宏觀平面”相比,粒徑由300 μm 減至50 μm時(shí)TIN明顯升高;在相同質(zhì)量濃度下,粒徑越小界面接觸面積越大,冰成核更易發(fā)生;而在相同表面積條件下,粒徑效應(yīng)消失,證明主要是來(lái)自表面積的影響。

圖1 老化微塑料→INPs/CCN:作用路徑與性能評(píng)估
要點(diǎn)二:利用微流控合成了粒徑形貌一致但官能團(tuán)比例不同的 P(MAM-MAA) MPs。實(shí)驗(yàn)與分子動(dòng)力學(xué)模擬一致指出:當(dāng)MAM:MAA = 5:5時(shí),表面–OH/–NH? 與–CH?的交替排布會(huì)有序化界面水層,其二維周期與六方冰棱柱面晶格常數(shù)實(shí)現(xiàn)近似匹配,從而顯著提升成核概率。

圖2 官能團(tuán)配比驅(qū)動(dòng)界面有序化與晶格匹配,提升結(jié)冰溫度
要點(diǎn)三:通過(guò)表面刻蝕在50 μm顆粒上構(gòu)建5–60 nm均勻孔洞。孔徑減小使TIN單調(diào)升高,按TIN反演得到的單位面積成核率J在25 nm附近出現(xiàn)躍升;配合擬合得到的能壘縮放因子Γ隨孔徑下降而顯著降低,表明納米限域+晶格匹配共同促成能壘下降。進(jìn)一步的MD模擬顯示,2–3.2 nm孔洞最易先行結(jié)冰,原因在于孔寬與冰晶格參數(shù)高度匹配且能在2–3層水分子尺度內(nèi)形成預(yù)有序水層。

圖3 納米孔徑選擇性降低成核能壘(Γ),小孔更“催冰”
要點(diǎn)四:團(tuán)隊(duì)將云室實(shí)驗(yàn)的成核—冰晶數(shù)關(guān)系與全球空氣中MPs數(shù)據(jù)/模式(GEOS-Chem)耦合,發(fā)現(xiàn)僅微米化一項(xiàng)即可使云冰晶濃度提升至一個(gè)數(shù)量級(jí);若疊加納米多孔化與表面官能化,在?10 °C條件下,新合成的 P(MAM-MAA)(50 μm、5 nm孔)誘導(dǎo)的冰晶數(shù)可比典型 MPs 在?20 °C時(shí)高約兩個(gè)數(shù)量級(jí),提示極端降水事件風(fēng)險(xiǎn)與區(qū)域水循環(huán)擾動(dòng)的潛在放大。

圖4 全球情景評(píng)估:老化微塑料提升冰晶數(shù)的空間分布
研究表明,微塑料在自然環(huán)境中“自發(fā)老化”會(huì)滾雪球式增強(qiáng)冰成核活性:微米化放大表面積,納米多孔化提供晶格“模具”,表面官能化構(gòu)筑有序水層并實(shí)現(xiàn)晶格匹配——三者單獨(dú)或協(xié)同均能顯著抬升TIN、提升冰晶數(shù)濃度。這意味著無(wú)需新增排放,僅憑環(huán)境中已有MPs的持續(xù)老化,就可能改變?cè)葡喾峙?、?qiáng)化區(qū)域降水并反饋氣候模型中的水循環(huán)閉環(huán)。后續(xù)應(yīng)將老化微塑料作為獨(dú)立INPs類別納入下一代云與氣候模式,同時(shí)推動(dòng)對(duì)來(lái)源、演化與暴露的綜合治理。
文章鏈接:
X. Wang, R. Luo, W. Guo, J. Liu, H. He, P. Tian, H. Zhang, Y. Gao, G. Bai, Z. He, Snowballing Impact of Spontaneously Degrading Microplastics on Atmospheric Ice Nucleation. J. Am. Chem. Soc. 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c10269.
分享到:
