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The presence of nanoparticles in aqueous droplets containing plant-derived biopolymers plays a role in heterogeneous ice nucleation

冰核 成核 昆布 纳米颗粒 化学工程 纤维素 过冷 化学 木质素 粒子(生态学) 材料科学 纳米技术 多糖 有机化学 地质学 气象学 工程类 物理 海洋学
作者
Paul Bieber,Ghinwa H. Darwish,W. Russ Algar,Nadine Borduas‐Dedekind
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:161 (9) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0213171
摘要

Organic matter can initiate heterogeneous ice nucleation in supercooled water droplets, thereby influencing atmospheric cloud glaciation. Predicting the ice nucleation ability of organic matter-containing cloud droplets is challenging due to the unknown mechanism for templating ice. Here, we observed the presence of nanoparticles in aqueous samples of known ice-nucleating biopolymers cellulose and lignin, as well as in newly identified ice-nucleating biopolymers xylan and laminarin. Using our drop Freezing Ice Nuclei Counter (FINC), we measured the median ice nucleation temperature (T50) of xylan and of laminarin droplets of 2 μl to be −14.2 and −20.0 °C, respectively. Next, we characterized these samples using nanoparticle tracking analysis, and we detected and quantified nanoparticles with mean diameters between 132 and 267 nm. Xylan contained the largest nanoparticles and froze at higher temperatures. Xylan also dictated the freezing in a 1:1:1:1 mixture with cellulose, lignin, laminarin, and xylan. Filtration experiments down to 300 kDa with the xylan sample indicated that the presence of nanoparticles triggered freezing. Overall, only samples with mean diameters above 150 nm froze above −20 °C. Furthermore, we determined the ice-active site densities normalized to particle concentrations, surface area, and mass of the nanoparticles to show that the samples’ nucleation site densities are similar to sea spray aerosols and nanometer-sized dust. The identification and characterization of xylan and laminarin as nanometer-sized ice-nucleating substances expands the growing list of organic matter capable of impacting cloud formation and thus climate.

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