北理工團隊在微塑料促進冰成核領(lǐng)域取得新進展
發(fā)布日期：2025-09-23 供稿：材料學院 攝影：材料學院
編輯：劉曉雪 審核：程興旺 閱讀次數(shù)：
北京理工大學材料學院賀志遠教授團隊與北京航空航天大學郭偉教授、張宏強副教授團隊聯(lián)合培養(yǎng)的博士生王雪偉，攜手河北工業(yè)大學、國家納米科學中心、北京市人工影響天氣中心等單位，近日在自發(fā)降解微塑料對大氣冰核形成的雪球效應(yīng)相關(guān)研究中取得進展。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、風蝕與沙塵等途徑被輸送到高空冷區(qū)，進入云微物理過程。它們是否會在“自然老化”后演化為強效的冰成核粒子？老化導致的粒徑、孔結(jié)構(gòu)與表面化學如何聯(lián)合作用、放大其氣候影響？本研究給出了實驗—模擬—全球情景三重證據(jù)鏈條的答案。
要點一：團隊選取多類典型塑料（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，證明主要是來自表面積的影響。
圖1 老化微塑料→INPs/CCN：作用路徑與性能評估
要點二：利用微流控合成了粒徑形貌一致但官能團比例不同的 P(MAM-MAA) MPs。實驗與分子動力學模擬一致指出：當MAM:MAA = 5:5時，表面–OH/–NH? 與–CH?的交替排布會有序化界面水層，其二維周期與六方冰棱柱面晶格常數(shù)實現(xiàn)近似匹配，從而顯著提升成核概率。
圖2 官能團配比驅(qū)動界面有序化與晶格匹配，提升結(jié)冰溫度
要點三：通過表面刻蝕在50 μm顆粒上構(gòu)建5–60 nm均勻孔洞?？讖綔p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”
要點四：團隊將云室實驗的成核—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)僅微米化一項即可使云冰晶濃度提升至一個數(shù)量級；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）誘導的冰晶數(shù)可比典型 MPs 在?20 °C時高約兩個數(shù)量級，提示極端降水事件風險與區(qū)域水循環(huán)擾動的潛在放大。
圖4 全球情景評估：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”會滾雪球式增強冰成核活性：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)筑有序水層并實現(xiàn)晶格匹配——三者單獨或協(xié)同均能顯著抬升TIN、提升冰晶數(shù)濃度。這意味著無需新增排放，僅憑環(huán)境中已有MPs的持續(xù)老化，就可能改變云相分配、強化區(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立INPs類別納入下一代云與氣候模式，同時推動對來源、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.
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