Die Vermessung von Wolkenteilchen

Luft besteht aus Gasmolekülen und winzigen Teilchen – sogenannten Aerosolen. Der Großteil dieser in der Luft getragenen Teilchen ist nur einige Nanometer groß und nicht sichtbar. Die Detektion und experimentelle Beschreibung dieser Nanoteilchen ist für das  Verständnis von klimarelevanten Wolkeneigenschaften und der Bestimmung der Luftqualität von großer Bedeutung und daher ein wesentlicher Aspekt der Aerosolforschung. Um Einblick in den Entstehungsprozesse von Aerosolen zu bekommen werden physikalisch-chemische Eigenschaften wie Anzahlkonzentration, Größe und Zusammensetzung untersucht. Forschern um Paul Winkler von der Universität Wien ist es nun gelungen, die Messmethoden mithilfe von Kleinwinkelstreuung zu verfeinern. Damit kann sogar die Struktur der Teilchen unmittelbar im Gas bestimmt werden. Die Ergebnisse erscheinen aktuell in der Fachzeitschrift Nature Communications.

In vielen Aerosolmessgeräten werden die zu untersuchenden Teilchen, die Aerosole, aus ihrer Umgebung entfernt. Im Fall von flüchtigen Substanzen kann das dazu führen, dass sich Teilcheneigenschaften bei der Detektion verändern: Größe, Struktur oder das Teilchen können durch Verdampfung überhaupt verloren gehen. Nur mit einer in-situ Messmethode ist es möglich die Teilchen direkt im Gas zu untersuchen, wo sie auch entstanden sind. Für Teilchengrößen im Mikrometerbereich sind dazu optische Methoden mittels Lichtstreuung geeignet. Vergleichbare Messungen von Nanoteilchen benötigen allerdings wesentlich kürzere Wellenlängen.

Aerosolphysiker Paul Winkler und sein Team an der Universität Wien setzen in ihrer aktuellen Studie Kleinwinkelröntgenstreuung (engl. small angle x-ray scattering, SAXS) ein, um Nanoteilchen in-situ zu charakterisieren. Die Herausforderung dabei ist, den Streuhintergrund des Gases und der Messapparatur so weit zu reduzieren, dass die Streuintensitäten der Nanoteilchen ein verwertbares Signal liefern. Durch geschickte Wahl der Systemparameter ist es gelungen, Röntgenstreuung an den kleinen Teilchen zu messen, obwohl der Volumenanteil der Teilchen im Gas nur eins zu zehn Milliarden betrug.

Unter diesen Bedingungen wurden parallel zu den SAXS-Messungen herkömmliche Aerosolmessgeräte eingesetzt, was einen direkten Vergleich erlaubt. Während die untersuchten Teilchenkonzentrationen für SAXS das untere Detektionslimit darstellen, waren die Aerosolmessgeräte am oberen Limit. Somit ist es Paulus Bauer, Erstautor der Studie, erstmals gelungen, SAXS im Überlappungsbereich mit konventionellen Aerosoldetektoren zu betreiben. Zusätzlich wurden die Teilchen mittels Elektronenmikroskopie analysiert. Die umfassende experimentelle "Vermessung" der Teilchen durch die verschiedenen Methoden liefert konsistente Ergebnisse in Größe und Anzahl, wobei die SAXS-Messungen noch zusätzlich in-situ Information über die Struktur der Teilchen liefern. Dadurch können nun physikalische Mechanismen der Teilchenentstehung direkt in der Gas-Phase untersucht werden.

Die Messungen wurden im Rahmen des vom ERC geförderten Projekts "nanoDynamite" an den Synchrotrons Elettra und ESRF durchgeführt. Wesentlich für den Erfolg dieser Arbeiten war die intensive Zusammenarbeit mit der Austrian SAXS beamline bei Elettra unter der Leitung von Heinz Amenitsch von der TU Graz.
 
Publikation in Nature Communications
Paulus  Bauer, Paul Winkler: In-situ aerosol nanoparticle characterization by small angle X-ray scattering at ultra-low volume fraction
DOI: 10.1038/s41467-019-09066-4