Konfokalmikroskopie an stabilen und metastabilen kolloidalen Hartkugel-Fluiden : interne Struktur, Kristallnukleation und Kristallwachstum

Die vorliegende Forschungsarbeit behandelt konfokalmikroskopische Untersuchungen zur Strukturbildung in kolloidalen Suspensionen, die als experimentelles Modellsystem für harte Kugeln verwendet werden. Die lokale und globale Struktur wurde im stabilen und metastabilen Fluid bestimmt. Bereits unterhalb des Gefriervolumenbruchs wurden nah-geordnete Cluster vorgefunden, die mit zunehmendem Volumenbruch häufiger und größer werden. Das Kristallwachstum aus der metastabilen kolloidalen Schmelze konnte quantitativ analysiert werden und es zeigt sich eine Übereinstimmung mehrerer Kenngrößen mit Literaturdaten nahe dem Schmelzvolumenbruch. Die Untersuchung demonstrierte die Realisierbarkeit der quantitativen Analyse der Kristallisationskinetik mittels konfokaler Mikroskopie. Es zeigte sich ein mehrstufiges Nukleationsszenario bei dem zuerst nah-geordnete Cluster gebildet werden, die im weiteren Verlauf zu kristall-artigen Clustern transformieren. Die Beobachtungen belegen den Mechanismus der Precursornukleation in Hartkugelsystemen. Die heterogene Nukleation wurde an glatten und an hexagonal strukturierten Substraten untersucht. Anhand der Kristallisationskinetik und der direkten Messung der Benetzungswinkel konnte ein Übergang des Benetzungsverhaltens unter Variation des Substratgitterabstands nachgewiesen werden: An glatten und an kommensurabel strukturierten Substraten zeigten sich eine vollständige Bedeckung des Substrats mit der kristallinen Phase und ein sofortiges unidirektionales Wachstum. Bei inkommensurabel strukturierten Substraten wurde eine unvollständige Bedeckung des strukturierten Substrats mit der kristallinen Phase sowie ein verzögertes isotropes Wachstum bei fortwährender Kristallnukleation beobachtet.

How different is water crystallization from polymer crystallization under confinement?

Ziel der vorliegenden Dissertation war es, Einblicke in das Kristallisationsverhalten weicher Materie („soft matter“), wie verschiedener Polymere oder Wasser, unter räumlicher Einschränkung („confinement“) zu erlangen. Dabei sollte untersucht werden, wie, weshalb und wann die Kristallisation in nanoporösen Strukturen eintritt. Desweiteren ist Kristallisation weicher Materie in nanoporösen Strukturen nicht nur aus Aspekten der Grundlagenforschung von großem Interesse, sondern es ergeben sich zahlreiche praktische Anwendungen. Durch die gezielte Steuerung der Kristallinität von Polymeren könnten somit Materialien mit verschiendenen mechanischen und optischen Eigenschaften erhalten werden. Desweiteren wurde auch räumlich eingeschränktes Wasser untersucht. Dieses spielt eine wichtige Rolle in der Molekularbiologie, z.B. für das globuläre Protein, und als Wolkenkondensationskeime in der Atmosphärenchemie und Physik. Auch im interstellaren Raum ist eingeschränktes Wasser in Form von Eispartikeln anzutreffen. Die Kristallisation von eingeschränktem Wasser zu verstehen und zu beeinflussen ist letztlich auch für die Haltbarkeit von Baumaterialien wie etwa Zement von großem Interesse.rnUm dies zu untersuchen wird Wasser in der Regel stark abgekühlt und das Kristallisationsverhalten in Abhängigkeit des Volumens untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass Mikro- bzw. Nanometer große Volumina erst ab -38 °C bzw. -70 °C kristallisieren. Wasser unterliegt dabei in der Regel dem Prozess der homogenen Nukleation. In der Regel gefriert Wasser aber bei höheren Temperaturen, da durch Verunreinigungen eine vorzeitige, heterogene Nukleation eintritt.rnDie vorliegende Arbeit untersucht die sachdienlichen Phasendiagramme von kristallisierbaren Polymeren und Wasser unter räumlich eingeschränkten Bedingungen. Selbst ausgerichtetes Aluminiumoxid (AAO) mit Porengrößen im Bereich von 25 bis 400 nm wurden als räumliche Einschränkung sowohl für Polymere als auch für Wasser gewählt. Die AAO Nanoporen sind zylindrisch und parallel ausgerichtet. Außerdem besitzen sie eine gleichmäßige Porenlänge und einen gleichmäßigen Durchmesser. Daher eignen sie sich als Modelsystem um Kristallisationsprozesse unter wohldefinierter räumlicher Einschränkung zu untersuchen.rnEs wurden verschiedene halbkristalline Polymere verwendet, darunter Poly(ethylenoxid), Poly(ɛ-Caprolacton) und Diblockcopolymere aus PEO-b-PCL. Der Einfluss der Porengröße auf die Nukleation wurde aus verschiedenen Gesichtspunkten untersucht: (i) Einfluss auf den Nukleationmechanismus (heterogene gegenüber homogener Nukleation), (ii) Kristallorientierung und Kristallinitätsgrad und (iii) Zusammenhang zwischen Kristallisationstemperatur bei homogener Kristallisation und Glasübergangstemperatur.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Polymeren in Bulk durch heterogene Nukleation induziert wird und das die Kristallisation in kleinen Poren hauptsächlich über homogene Nukleation mit reduzierter und einstellbarer Kristallinität verläuft und eine hohe Kristallorientierung aufweist. Durch die AAOs konnte außerdem die kritische Keimgröße für die Kristallisation der Polymere abgeschätzt werden. Schließlich wurde der Einfluss der Polydispersität, von Oligomeren und anderen Zusatzstoffen auf den Nukleationsmechanismus untersucht.rn4rnDie Nukleation von Eis wurde in den selben AAOs untersucht und ein direkter Zusammenhang zwischen dem Nukleationstyp (heterogen bzw. homogen) und der gebildeten Eisphase konnte beobachtet werden. In größeren Poren verlief die Nukleation heterogen, wohingegen sie in kleineren Poren homogen verlief. Außerdem wurde eine Phasenumwandlung des Eises beobachtet. In den größeren Poren wurde hexagonales Eis nachgewiesen und unter einer Porengröße von 35 nm trat hauptsächlich kubisches Eis auf. Nennenswerter Weise handelte es sich bei dem kubischem Eis nicht um eine metastabile sondern eine stabile Phase. Abschließend wird ein Phasendiagramm für räumlich eingeschränktes Wasser vorgeschlagen. Dieses Phasendiagramm kann für technische Anwendungen von Bedeutung sein, so z.B. für Baumaterial wie Zement. Als weiteres Beispiel könnten AAOs, die die heterogene Nukleation unterdrücken (Porendurchmesser ≤ 35 nm) als Filter für Reinstwasser zum Einsatz kommen.rnNun zur Anfangs gestellten Frage: Wie unterschiedlich sind Wasser und Polymerkristallisation voneinander unter räumlicher Einschränkung? Durch Vergleich der beiden Phasendiagramme kommen wir zu dem Schluss, dass beide nicht fundamental verschieden sind. Dies ist zunächst verwunderlich, da Wasser ein kleines Molekül ist und wesentlich kleiner als die kleinste Porengröße ist. Wasser verfügt allerdings über starke Wasserstoffbrückenbindungen und verhält sich daher wie ein Polymer. Daher auch der Name „Polywasser“.

Optische Experimente zur Untersuchung der Nichtgleichgewichtsdynamik kolloidaler Suspensionen

In der vorliegenden Forschungsarbeit wird die Konkurrenz von Kristallisation und Verglasung in metastabilen kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen mit dynamischer und zeitaufgelöster statischer Lichtstreuung untersucht. Durch gleichzeitige Messungen mit beiden Methoden an derselben Probe gelang es, mit hoher Genauigkeit und aussagekräftiger Statistik nachzuweisen, dass in beiden Systemklassen eine starke Korrelation der strukturellen und dynamischen Eigenschaften vorliegt und diese Korrelation zu quantifizieren. Ein zentraler Teil der Arbeit bestand in dem Aufbau einer geeigneten Lichtstreuanlage mit der erstmalig Messungen der Dynamik und der Struktur simultan an derselben nicht-ergodischen Probe durchgeführt werden konnten. Für die dynamische Lichtstreuung wurde ein Flächendetektor (CCD-Kamera) verwendet. In Kombination mit einer speziellen Detektionsoptik ermöglicht dies, die gleichzeitige Detektion von Streulicht aus unterschiedlichen Probenbereichen (Subensembles). Damit kann gleichzeitig die Dynamik in unterschiedlichen Subensembles mit einer Auflösung von 15,8x15,8µm2 untersucht werden. Die Lichtstreuanlage wurde ausführlich charakterisiert und ihre korrekte Funktionsweise mithilfe von Vergleichsmessungen an etablierten Lichtstreuanlagen bestätigt. Die zeitliche Entwicklung der Dynamik und der Struktur von metastabilen Proben wurde unterhalb, am und oberhalb des Glasübergangs quantifiziert. Dabei zeigte das untersuchte kolloidale HK-Modellsystem alle typischen Eigenschaften eines HK-Systems. Die kristallisierenden Proben zeigten das etablierte zweistufige Kristallisationsszenario mit entsprechender Kristallisationskinetik und die Glasproben zeigten das erwartete Alterungsverhalten. Bei dem zweistufigen Kristallisationsszenario kommt es zuerst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase von sogenannten Precursorn. In einer zweiten Stufe bilden sich Kristallite innerhalb dieser Precursor. Durch Vergleich zwischen kristallisierenden und verglasenden Proben konnte auch während der Verglasung die Bildung von Precursorn beobachtet werden. Die Korrelation zwischen der Anzahl an Precursorn und der Partikeldynamik legt die Vermutung nahe, dass das immer noch unverstandene Phänomen der Alterung von Gläsern mit der Bildung von Precursorn zusammenhängt. Verhinderte Kristallisation führt zu einer starken Verlangsamung der Partikeldynamik. Die Partikeldynamik einer Probe am Glasübergang zeigt, dass die Probe vor Einsetzen der Kristallisation eine glasartige Dynamik aufwies. Dies legt die Vermutung nahe, dass einkomponentige kolloidale HK-Gläser den Gleichgewichtszustand (Kristall) auf langen Zeitskalen erreichen können. Durch die Untersuchung der Partikeldynamik von metastabilen Proben in einzelnen Subensembles konnte eine heterogene Verteilung der Partikeldynamik nachgewiesen werden. Es existieren Bereiche, in denen die Partikeldynamik schneller oder langsamer ist als in anderen Bereichen. Gleichzeitig zeigen die Messungen der strukturellen Eigenschaften, dass metastabile Proben auch heterogen bezüglich ihrer Struktur sind. Mithilfe dieser Messungen konnte die zeitliche Entwicklung des Anteils an langsamen Partikeln und des Anteils an Partikeln innerhalb von Objekten höherer Ordnung (Precursor/Kristallite) bestimmt werden. Es zeigte sich eine direkte Korrelation zwischen dem Anteil an langsamen Partikeln und dem Anteil an Partikeln in Objekten höherer Ordnung. Die Untersuchung der Dynamik und der Struktur in einzelnen Subensembles lieferte einen weiteren Hinweis darauf, dass Subensembles, in denen eine stärker ausgeprägte strukturelle Ordnung vorliegt, auch bevorzugt eine langsamere Partikeldynamik aufweisen.

WASP plays a novel role in regulating platelet responses dependent on alphaIIbbeta3 integrin outside-in signalling

The most consistent feature of Wiskott Aldrich syndrome (WAS) is profound thrombocytopenia with small platelets. The responsible gene encodes WAS protein (WASP), which functions in leucocytes as an actin filament nucleating agent -yet- actin filament nucleation proceeds normally in patient platelets regarding shape change, filopodia and lamellipodia generation. Because WASP localizes in the platelet membrane skeleton and is mobilized by alphaIIbbeta3 integrin outside-in signalling, we questioned whether its function might be linked to integrin. Agonist-induced alphaIIbbeta3 activation (PAC-1 binding) was normal for patient platelets, indicating normal integrin inside-out signalling. Inside-out signalling (fibrinogen, JON/A binding) was also normal for wasp-deficient murine platelets. However, adherence/spreading on immobilized fibrinogen was decreased for patient platelets and wasp-deficient murine platelets, indicating decreased integrin outside-in responses. Another integrin outside-in dependent response, fibrin clot retraction, involving contraction of the post-aggregation actin cytoskeleton, was also decreased for patient platelets and wasp-deficient murine platelets. Rebleeding from tail cuts was more frequent for wasp-deficient mice, suggesting decreased stabilisation of the primary platelet plug. In contrast, phosphatidylserine exposure, a pro-coagulant response, was enhanced for WASP-deficient patient and murine platelets. The collective results reveal a novel function for WASP in regulating pro-aggregatory and pro-coagulant responses downstream of integrin outside-in signalling.

Quantum Mechanical Study of Sulfuric Acid Hydration: Atmospheric Implications

The role of the binary nucleation of sulfuric acid in aerosol formation and its implications for global warming is one of the fundamental unsettled questions in atmospheric chemistry. We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid hydration using ab initio quantum mechanical methods. For H2SO4(H2O)n where n = 1–6, we used a scheme combining molecular dynamics configurational sampling with high-level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster size. For each isomer, we extrapolated the Møller–Plesset perturbation theory (MP2) energies to their complete basis set (CBS) limit and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled harmonic vibrational frequencies. We found that ionic pair (HSO4–·H3O+)(H2O)n−1 clusters are competitive with the neutral (H2SO4)(H2O)n clusters for n ≥ 3 and are more stable than neutral clusters for n ≥ 4 depending on the temperature. The Boltzmann averaged Gibbs free energies for the formation of H2SO4(H2O)n clusters are favorable in colder regions of the troposphere (T = 216.65–273.15 K) for n = 1–6, but the formation of clusters with n ≥ 5 is not favorable at higher (T > 273.15 K) temperatures. Our results suggest the critical cluster of a binary H2SO4–H2O system must contain more than one H2SO4 and are in concert with recent findings(1) that the role of binary nucleation is small at ambient conditions, but significant at colder regions of the troposphere. Overall, the results support the idea that binary nucleation of sulfuric acid and water cannot account for nucleation of sulfuric acid in the lower troposphere.

Hydration of the Bisulfate Ion: Atmospheric Implications

Using molecular dynamics configurational sampling combined with ab initio energy calculations, we determined the low energy isomers of the bisulfate hydrates. We calculated the CCSD(T) complete basis set (CBS) binding electronic and Gibbs free energies for 53 low energy isomers of HSO4–(H2O)n=1–6 and derived the thermodynamics of adding waters sequentially to the bisulfate ion and its hydrates. Comparing the HSO4–/H2O system to the neutral H2SO4/H2O cluster, water binds more strongly to the anion than it does to the neutral molecules. The difference in the binding thermodynamics of HSO4–/H2O and H2SO4/H2O systems decreases with increasing number of waters. The thermodynamics for the formation of HSO4–(H2O)n=1–5 is favorable at 298.15 K, and that of HSO4–(H2O)n=1–6 is favorable for T < 273.15 K. The HSO4– ion is almost always hydrated at temperatures and relative humidity values encountered in the troposphere. Because the bisulfate ion binds more strongly to sulfuric acid than it does to water, it is expected to play a role in ion-induced nucleation by forming a strong complex with sulfuric acid and water, thus facilitating the formation of a critical nucleus.

Atmospheric Implications for Formation of Clusters of Ammonium and 1−10 Water Molecules

A mixed molecular dynamics/quantum mechanics model has been applied to the ammonium/water clustering system. The use of the high level MP2 calculation method and correlated basis sets, such as aug-cc-pVDZ and aug-cc-pVTZ, lends confidence in the accuracy of the extrapolated energies. These calculations provide electronic and free energies for the formation of clusters of ammonium and 1−10 water molecules at two different temperatures. Structures and thermodynamic values are in good agreement with previous experimental and theoretical results. The estimated concentration of these clusters in the troposphere was calculated using atmospheric amounts of ammonium and water. Results show the favorability of forming these clusters and implications for ion-induced nucleation in the atmosphere.

Quantum Mechanical Study of Sulfuric Acid Hydration: Atmospheric Implications

The role of the binary nucleation of sulfuric acid in aerosol formation and its implications for global warming is one of the fundamental unsettled questions in atmospheric chemistry. We have investigated the thermodynamics of sulfuric acid hydration using ab initio quantum mechanical methods. For H2SO4(H2O)n where n = 1–6, we used a scheme combining molecular dynamics configurational sampling with high-level ab initio calculations to locate the global and many low lying local minima for each cluster size. For each isomer, we extrapolated the Møller–Plesset perturbation theory (MP2) energies to their complete basis set (CBS) limit and added finite temperature corrections within the rigid-rotor-harmonic-oscillator (RRHO) model using scaled harmonic vibrational frequencies. We found that ionic pair (HSO4–·H3O+)(H2O)n−1clusters are competitive with the neutral (H2SO4)(H2O)n clusters for n ≥ 3 and are more stable than neutral clusters for n ≥ 4 depending on the temperature. The Boltzmann averaged Gibbs free energies for the formation of H2SO4(H2O)n clusters are favorable in colder regions of the troposphere (T = 216.65–273.15 K) for n = 1–6, but the formation of clusters with n ≥ 5 is not favorable at higher (T > 273.15 K) temperatures. Our results suggest the critical cluster of a binary H2SO4–H2O system must contain more than one H2SO4 and are in concert with recent findings(1) that the role of binary nucleation is small at ambient conditions, but significant at colder regions of the troposphere. Overall, the results support the idea that binary nucleation of sulfuric acid and water cannot account for nucleation of sulfuric acid in the lower troposphere.

Processing and Composition Effects on the Fracture Behavior of Spray-Formed 7XXX Series Al Alloys

The fracture properties of high-strength spray-formed Al alloys were investigated, with consideration of the effects of elemental additions such as zinc,manganese, and chromium and the influence of the addition of SiC particulate. Fracture resistance values between 13.6 and 25.6 MPa (m)1/2 were obtained for the monolithic alloys in the T6 and T7 conditions, respectively. The alloys with SiC particulate compared well and achieved fracture resistance values between 18.7 and 25.6 MPa (m)1/2. The spray-formed materials exhibited a loss in fracture resistance (KI) compared to ingot metallurgy 7075 alloys but had an improvedperformance compared to high-solute powder metallurgy alloys of similar composition. Characterization of the fracture surfaces indicated a predominantly intergranular decohesion, possibly facilitated by the presence of incoherent particles at the grain boundary regions and by the large strength differentialbetween the matrix and precipitate zone. It is believed that at the slip band-grain boundary intersection, particularly in the presence of large dispersoids and/or inclusions, microvoid nucleation would be significantly enhanced. Differences in fracture surfaces between the alloys in the T6 and T7 condition were observed and are attributed to inhomogeneous slip distribution, which results in strain localization at grain boundaries. The best overall combination of fracture resistance properties were obtained for alloys with minimum amounts of chromium and manganese additions.

Cooperative and Noncooperative Assembly of Oligopyrenotides Resolved by Atomic Force Microscopy

The supramolecular assembly of amphiphilic oligopyrenotide building blocks (covalently linked heptapyrene, Py7) is studied by atomic force microscopy (AFM) in combination with optical spectroscopy. The assembly process is triggered in a controlled manner by increasing the ionic strength of the aqueous oligomer solution. Cooperative noncovalent interactions between individual oligomeric units lead to the formation of DNA-like supramolecular polymers. We also show that the terminal attachment of a single cytidine nucleotide to the heptapyrenotide (Py7-C) changes the association process from a cooperative (nucleation−elongation) to a noncooperative (isodesmic) regime, suggesting a structure misfit between the cytidine and the pyrene units. We also demonstrate that AFM enables the identification and characterization of minute concentrations of the supramolecular products, which was not accessible by conventional optical spectroscopy.

Investigation Of Leucine And Glutamic Acid Properties From The Nanoscale To The Macroscale

Aerosols are known to have important effects on climate, the atmosphere, and human health. The extent of those effects is unknown and largely depend on the interaction of aerosols with water in the atmosphere. Ambient aerosols are complex mixtures of both inorganic and organic compounds. The cloud condensation nuclei (CCN) activities, hygroscopic behavior and particle morphology of a monocarboxylic amino acid (leucine) and a dicarboxylic amino acid (glutamic acid) were investigated. Activation diameters at various supersaturation conditions were experimentally determined and compared with Köhler theoretical values. The theory accounts for both surface tension and the limited solubility of organic compounds. It was discovered that glutamic acid aerosols readily took on water both when relative humidity was less than 100% and when the supersaturation condition was reached, while leucine did not show any water activation at those conditions. Moreover, the study also suggests that Köhler theory describes CCN activity of organic compounds well when only surface tension of the compound is taken into account and complete solubility is assumed. Single parameter ¿ was also computed using both CCN data and hygroscopic growth factor (GF). The results of ¿ range from 0.17 to 0.53 using CCN data and 0.09 to 0.2 using GFs. Finally, the study suggests that during the water-evaporation/particle-nucleation process, crystallization from solution droplets takes place at different locations: for glutamic acid at the particles¿ center and leucine at the particles¿ boundary.

The Crystallization Kinetics of Polylactic Acid (Pla) Processed Through Solid-State/Melt Extrusion

Polylactic acid (PLA) is a bio-derived, biodegradable polymer with a number of similar mechanical properties to commodity plastics like polyethylene (PE) and polyethylene terephthalate (PETE). There has recently been a great interest in using PLA to replace these typical petroleum-derived polymers because of the developing trend to use more sustainable materials and technologies. However, PLA¿s inherent slow crystallization behavior is not compatible with prototypical polymer processing techniques such as molding and extrusion, and in turn inhibits its widespread use in industrial applications. In order to make PLA into a commercially-viable material, there is a need to process the material in such a way that its tendency to form crystals is enhanced. The industry standard for producing PLA products is via twin screw extrusion (TSE), where polymer pellets are fed into a heated extruder, mixed at a temperature above its melting temperature, and molded into a desired shape. A relatively novel processing technique called solid-state shear pulverization (SSSP) processes the polymer in the solid state so that nucleation sites can develop and fast crystallization can occur. SSSP has also been found to enhance the mechanical properties of a material, but its powder output form is undesirable in industry. A new process called solid-state/melt extrusion (SSME), developed at Bucknell University, combines the TSE and SSSP processes in one instrument. This technique has proven to produce moldable polymer products with increased mechanical strength. This thesis first investigated the effects of the TSE, SSSP, and SSME polymer processing techniques on PLA. The study seeks to determine the process that yields products with the most enhanced thermal and mechanical properties. For characterization, percent crystallinity, crystallization half time, storage modulus, softening temperature, degradation temperature and molecular weight were analyzed for all samples. Through these characterization techniques, it was observed that SSME-processed PLA had enhanced properties relative to TSE- and SSSP-processed PLA. Because of the previous findings, an optimization study for SSME-processed PLA was conducted where throughput and screw design were varied. The optimization study determined PLA processed with a low flow rate and a moderate screw design in an SSME process produced a polymer product with the largest increase in thermal properties and a high retention of polymer structure relative to TSE-, SSSP-, and all other SSME-processed PLA. It was concluded that the SSSP part of processing scissions polymer chains, creating defects within the material, while the TSE part of processing allows these defects to be mixed thoroughly throughout the sample. The study showed that a proper SSME setup allows for both the increase in nucleation sites within the polymer and sufficient mixing, which in turn leads to the development of a large amount of crystals in a short period of time.

Hydration of the Sulfuric Acid−Methylamine Complex and Implications for Aerosol Formation

The binary H2SO4−H2O nucleation is one of the most important pathways by which aerosols form in the atmosphere, and the presence of ternary species like amines increases aerosol formation rates. In this study, we focus on the hydration of a ternary system of sulfuric acid (H2SO4), methylamine (NH2CH3), and up to six waters to evaluate its implications for aerosol formation. By combining molecular dynamics (MD) sampling with high-level ab initio calculations, we determine the thermodynamics of forming H2SO4(NH2CH3)(H2O)n, where n = 0−6. Because it is a strong acid−base system, H2SO4−NH2CH3 quickly forms a tightly bound HSO4−−NH3CH3+ complex that condenses water more readily than H2SO4 alone. The electronic binding energy of H2SO4−NH2CH3 is −21.8 kcal mol−1 compared with −16.8 kcal mol−1 for H2SO4−NH3 and −12.8 kcal mol−1 for H2SO4−H2O. Adding one to two water molecules to the H2SO4−NH2CH3 complex is more favorable than adding to H2SO4 alone, yet there is no systematic difference for n ≥ 3. However, the average number of water molecules around H2SO4−NH2CH3 is consistently higher than that of H2SO4, and it is fairly independent of temperature and relative humidity.

Hydration of the Sulfuric Acid-Methylamine Complex and Implications for Aerosol Formation

The binary H2SO4-H2O nucleation is one of the most important pathways by which aerosols form in the atmosphere, and the presence of ternary species like amines increases aerosol formation rates. In this study, we focus on the hydration of a ternary system of sulfuric acid (H2SO4), methylamine (NH2CH3), and up to six waters to evaluate its implications for aerosol formation. By combining molecular dynamics (MD) sampling with high-level ab initio calculations, we determine the thermodynamics of forming H2SO4(NH2CH3)(H2O)n, where n = 0-6. Because it is a strong acid-base system, H2SO4-NH2CH3 quickly forms a tightly bound HSO4(-)-NH3CH3(+) complex that condenses water more readily than H2SO4 alone. The electronic binding energy of H2SO4-NH2CH3 is -21.8 kcal mol(-1) compared with -16.8 kcal mol(-1) for H2SO4-NH3 and -12.8 kcal mol(-1) for H2SO4-H2O. Adding one to two water molecules to the H2SO4-NH2CH3 complex is more favorable than adding to H2SO4 alone, yet there is no systematic difference for n ≥ 3. However, the average number of water molecules around H2SO4-NH2CH3 is consistently higher than that of H2SO4, and it is fairly independent of temperature and relative humidity.