L'oxyde de graphène est-il utilisé comme l'un des nombreux éléments hautement toxiques dans la technologie de la climatisation ?


La nanostructure, la composition chimique et la distribution de taille des aérosols ont des effets primordiaux sur leur efficacité dans la nucléation hétérogène de la glace (HIN).

Résumé

La nucléation de la glace nécessite généralement des sites actifs dans les aérosols afin d'agir comme des noyaux de glace (IN). Dans cette étude, le HIN et les sites actifs probables des nanoparticules de graphène-oxyde de graphène (GGON), obtenues à partir d'oxyde de graphite par choc thermique à basse température (LTTS), ont été étudiés. Les caractéristiques et la distribution de taille des GGON ont été identifiées à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) et du traitement d'image des résultats, de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), des spectres Raman et de la diffraction des rayons X (XRD) de leurs feuilles.

Les spectres FTIR indiquent des liaisons carbone-oxygène plus fortes dans les échantillons obtenus par LTTS. En outre, la distribution de taille maximale des GGON était comprise entre 160 et 180 nm. Après l'introduction de ces particules dans la chambre à nuage, un HIN s'est produit et des cristaux de glace se sont formés. La distribution de taille des cristaux a été obtenue à partir du traitement d'image des plaques, où recouvertes d'une fine couche de Formvar, a montré que le nombre de cristaux de glace dans le GGON était augmenté lorsque la température passait de -20 °C à -10 °C. En outre, deux mécanismes possibles d'asymétrie et de déformation des cristaux de glace du GGON ont été décrits.

Introduction

Les interactions nuage-aérosol dans l'atmosphère terrestre ont plusieurs effets importants sur le temps et le système climatique. Tout d'abord, ces interactions peuvent modifier la distribution de taille des aérosols, dont l'impact sur les radiations entrantes à ondes courtes et sortantes à ondes longues est démontré. Deuxièmement, plus de 50% des précipitations terrestres proviennent de la phase glace et les particules qui peuvent servir de noyaux de glace (IN) sont essentielles dans la microphysique des nuages et des précipitations. En outre, de nos jours, l'homme essaie de modifier les nuages afin d'augmenter ses ressources en eau, et dans ce contexte, les aérosols artificiels qui contribuent à la microphysique des nuages sont souhaités dans l'ensemencement des nuages. Ainsi, les interactions entre les aérosols et les nuages et, par conséquent, leurs effets sur le temps, le climat et le changement climatique font partie des problèmes environnementaux mondiaux importants. 1,2,3,4,5

Les particules d'aérosol (AP) sont injectées dans l'atmosphère à partir de sources naturelles et anthropiques par différents mécanismes, et elles peuvent subir différents types de processus de vieillissement et de changement de phase dans diverses conditions atmosphériques. Le processus de transformation des PA en gouttelettes dépend principalement de leur taille, de leur forme et de leur composition chimique dans le processus connu sous le nom d'activation des PA. La théorie de Kohler décrit les effets concurrents impliqués dans l'activation des gouttelettes de nuages. Les particules d'aérosol ayant des caractéristiques particulières, qui peuvent agir comme des noyaux de condensation de nuages (CCN) aux faibles sursaturations (SS) typiques des nuages atmosphériques, peuvent être activées.

D'un autre côté, la nucléation hétérogène de la glace (HIN) nécessite généralement un PA insoluble pour servir d'IN qui initie la phase de glace par dépôt direct de vapeur d'eau, congélation à travers un milieu aqueux et par contact, immersion ou condensation d'un PA spécifique. En mode dépôt, les cristaux de glace (CI) deviennent plus grands par le dépôt des molécules d'eau sur la surface de l'IN aux dépens des gouttelettes de liquide voisines dans le processus connu sous le nom de mécanisme de Bergeron-Findeisen. En revanche, la congélation par contact et par immersion est initiée lorsque l'IN s'approche ou s'immerge dans une solution aqueuse ou une gouttelette d'eau surfondue. La congélation par condensation a souvent lieu lorsque trois modes de nucléation de la glace existent. Comme l'activation de la PA, la capacité des IN à former de la CI varie en fonction du type de particule et des sources et conditions atmosphériques. Indépendamment de la source de l'IN, une augmentation de l'activation de l'IN pour une diminution de la température de différents échantillonnages d'air a été rapportée. 6,7,8,9,10,11,12

Les caractéristiques spécifiques fondamentales qui sont capables d'adsorber les molécules d'eau sont les mêmes que celles de l'activité de nucléation de la glace. Des expériences ont montré que la structure géométrique des liaisons IN à la surface du substrat est aussi importante que la CI. Par exemple, AgI avec une bonne nucléabilité de la glace a une structure similaire au IC hexagonal. De même, la bonne nucléabilité de la glace de la kaolinite est également due à l'arrangement pseudo-hexagonal des groupes hydroxyle à la surface du réseau. Dans le cas d'une désadaptation du réseau, certaines molécules non liées à travers l'interface entraînent une augmentation de l'énergie libre de l'interface, réduisant ainsi la capacité de la PA à servir d'IN. 10,12

Des idées récemment développées suggèrent que certains endroits (par exemple, les fissures, les sites hydrophiles) de l'IN peuvent agir comme un embryon pour la croissance de la glace qui est appelé sites actifs. Certaines études ont rapporté que les sites sont moins susceptibles d'agir comme des IN dans les particules plus petites (moins de 500 nm) ; cependant, une autre étude démontre que les IN de 200 nm de diamètre peuvent constituer la majorité des IN. D'autre part, l'existence de régions hydrophiles et hydrophobes dans l'IN peut faciliter la diffusion en surface de molécules faiblement adsorbées près du site actif. Les études expérimentales ont également montré que la force des liaisons chimiques des sites actifs affecte leur efficacité à présenter une bonne nucléabilité de la glace.

Les molécules présentant une symétrie de rotation à la surface du substrat, dont les groupes de liaison H actifs sont exposés aux interactions de surface, peuvent constituer des sites actifs efficaces. En outre, certaines impuretés chimiques présentées à la surface de l'IN peuvent constituer ou modifier les effets des sites actifs. L'adsorption des molécules d'eau de la vapeur a montré, lorsque les échantillons d'AgI contenant des ions d'impureté tels que K+ et No3-, ont une efficacité de nucléation de la glace plus élevée que l'AgI pur. D'autres études ont révélé que les CI apparaissent également de manière préférentielle au niveau des fissures et dans les cavités où ils peuvent maintenir l'humidité relative en dessous de la saturation de la glace en raison de l'effet de courbure négatif. 10,11,12,13,14,15,16,17

La nature moléculaire organique, la symétrie rotationnelle, les groupes de liaison hydrogène correspondant à la glace sont des caractéristiques importantes des sites actifs dans les IN organiques. Il y a quelques substances limitées et des aérosols organiques biogènes dans l'atmosphère qui peuvent agir comme IN dans le processus de Bergeron. Les particules organiques primaires et secondaires ont également été montrées pour nucléer la glace malgré leur nature amorphe qui semble être en contradiction avec le concept de symétrie rotationnelle et de correspondance des groupes de liaison hydrogène. D'autre part, les études sur les matériaux minéraux ont montré que les poussières du désert contenant du quartz et du feldspath sont des sites préférentiels de nucléation de la glace dans l'IN dans des conditions de nuages à phase mixte à basse température (T < -15). Il est intéressant de noter que le traitement acide (avec HNO3 et H2SO4) ou l'enrobage des particules de poussière contenant de la kaolinite, de l'illite et du feldspath ont supprimé l'activité de l'IN dans le mode de dépôt, ce qui contraste avec l'effet de l'impureté AgI. Ainsi, l'étude en laboratoire de l'activité IN de particules organiques idéalisées est une approche fiable pour comprendre les complexités et les contradictions des caractéristiques de l'activité IN organique et minérale ambiante. 10,12,15,18,19,20,21,22,23

Une nouvelle étude de terrain sur les particules de carbone noir (BC) en tant que CCN a montré le fait que la majorité d'entre elles, dont le diamètre est supérieur à 180 nm, ont de petits noyaux de BC avec un revêtement substantiel à travers diverses conditions de transport atmosphérique. En outre, leur distribution de taille massique atteint généralement un pic dans la plage de 120 à 170 nm, et pour un diamètre équivalent à la masse du noyau entre 170 et 200 nm, la fraction d'activation a augmenté de plus de 80% lorsque l'épaisseur du revêtement a augmenté de 0 à 60 nm. Une autre étude pour différentes polarité et hydrophilie des particules de suie a montré que l'oxydation de la suie thermique conduit à une augmentation de la densité des sites actifs d'adsorption d'eau et de l'étendue de la polarité de surface (polarité intermédiaire), et augmente ainsi l'hydrophilie de la surface. Les particules de suie non revêtues de la flamme de propane avec une faible teneur en carbone organique (5% de teneur en carbone organique) peuvent constituer un IN plus efficace que les particules à teneur plus élevée en carbone organique (30% et 70% de teneur en carbone organique), et jusqu'à 25% de ces particules de suie ont été activées en mode dépôt pour un rapport de saturation de la glace de 1,22 à une température T = 226,6 K. 15,24,25

Il existe différents mécanismes d'absorption de l'eau par les particules de suie. Tout d'abord, la suie hydrophile, qui contient des quantités relativement importantes de matières hydrosolubles, absorbe l'eau par dissolution de ces matières solubles. Deuxièmement, la composition organique AP dans les zones urbaines et les gaz d'échappement des moteurs diesel avec différentes classes de composés polaires absorbent l'eau et, par conséquent, forment des gouttelettes d'eau de noyaux de suie insolubles. D'autre part, les composés organiques non polaires n'absorbent généralement pas l'eau et peuvent également former des films d'eau sur les particules, inhibant ainsi l'adsorption ou l'absorption des molécules d'eau. Enfin, l'adsorption d'eau est observée sur les particules de suie insolubles en raison de l'interaction avec les sites actifs de surface. 15,25

Récemment, le graphène (G), un réseau bidimensionnel (2D) de carbone sp2, a suscité un large intérêt en raison de ses fascinantes propriétés électroniques, mécaniques et thermiques après sa découverte empirique en 2004. La couche unique de G d'une épaisseur de 0,35 nm est constituée d'atomes de carbone disposés selon une structure hexagonale similaire à la structure IC. Les méthodes d'exfoliation thermique et chimique ont été largement utilisées ces dernières années et toutes deux sont fiables et peu coûteuses. La réduction et l'oxydation chimique et thermique habituelles peuvent donner lieu à la formation d'oxyde de graphène (GO) en même temps que le G, et ils forment à leur tour des îlots hydrophiles et hydrophobes à l'intérieur des nanoparticules. Cette étrange combinaison est souhaitée dans le HIN. La nucléation de la glace sur de telles surfaces a été signalée en zoologie, notamment pour le scarabée du désert Stenocara qui peut récolter du brouillard sur la peau via ce processus nanophysique. D'autres études montrent également que différents nanomatériaux de carbone dispersables dans l'eau sont capables de nucléer la glace, et que ce processus est plus efficace sur les tubes et les structures courbes que sur les espèces G plates. Ici, nous utilisons des nanoparticules GGO mélangées (GGON) afin de HIN dans la chambre à nuages et l'ensemencement probable de nuages. 26,27,28,29,30,31,32

Dans cette étude, nous avons utilisé la méthode de réduction par choc thermique à basse température (LTTS) sur l'oxyde de graphite afin d'obtenir des nanoparticules à base de carbone. Les nanoparticules résultantes ont été identifiées à l'aide du microscope électronique à balayage (MEB), de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) et des spectres Raman des feuilles G. La forme et la distribution de taille des GGON mélangés peuvent être déterminées à partir du traitement d'image des résultats du SEM. La distribution de taille obtenue est compatible avec les études précédentes de la suie et du BC avec un analyseur de mobilité différentielle précis. Ensuite, les GGON sont introduits dans une chambre à nuage, ce qui entraîne la nucléation de la glace, présentée ici. Ainsi, les propriétés des GGON provenant de la méthode de réduction LTTS ont été étudiées, dont les propriétés hydrophobes et hydrophiles combinées, les limites chimiques et la distribution de taille ont été examinées en détail.

Ce document est organisé comme suit. La section suivante donne un bref aperçu des méthodes, des matériaux et des instruments qui ont été utilisés dans cette étude. Les caractéristiques de la chambre à nuages et la préparation des matériaux sont présentées dans la section suivante. La troisième section présente les spectres SEM, FTIR, XRD et XRF et Raman des résultats. Nous essayons de confirmer les sites actifs sur le GGON et leur nature 2D à l'aide des résultats. Enfin, la comparaison entre la cristallisation de l'AgI commercial, de la kaolinite et des GGON et leur activité de cristallisation de la glace dans la chambre à nuages sont présentées.

Matériaux et méthodes

Chambre des nuages

Les chambres à nuages sont de grands récipients à température et humidité contrôlées qui sont utilisés pour quantifier la quantité et le type de formation de CI. Une expérience typique implique la réduction de la température et l'augmentation du taux de saturation via l'expansion de la vapeur d'eau dans une chambre afin de former un nuage homogène dans des conditions spécifiques. Dans nos expériences, la chambre à nuages était constituée d'une chambre habituelle d'un volume de 220 L et de dimensions de 906 × 555 × 840 mm. La chambre fonctionnait à la pression atmosphérique et ses températures pouvaient être réglées de -24 °C à des températures plus élevées. Une quantité spécifique de vapeur d'eau entre dans la chambre par un trou situé au fond de celle-ci.

Des conditions de température et d'humidité homogènes dans tout le volume peuvent être contrôlées par une carte électronique. Cette condition a été obtenue en faisant fonctionner le ventilateur de mélange (petit ventilateur électrique) dans la chambre. Après avoir introduit une quantité spécifique de vapeur d'eau dans la chambre, celle-ci est complètement remplie de gouttelettes surfondues en quelques secondes. Ensuite, les particules ont été introduites dans la chambre à nuages afin d'étudier la formation de CI.

Les cristaux de glace ont une variété de formes et de tailles dans différentes conditions atmosphériques selon la classification de Magno-Lee. Mais dans les conditions de notre expérience, tous les types de CI en forme de plaque ont été préférés. Les CI dans la chambre peuvent être quantifiés sur les plaques qui ont été recouvertes de Formvar (polyvinyl formal). Après l'introduction de l'IN dans la chambre, des CI se sont progressivement formés pendant la disparition des gouttelettes, et finalement seuls des CI sont restés dans la chambre. Les cristaux de glace qui se sont formés dans les différents modes mentionnés ci-dessus ont été échantillonnés avec la technique de réplique. La plaque recouverte d'une fine couche de différents pourcentages de solution de Formvar dans du chloroforme (2%, 4% et 6%) a été exposée aux cristaux tombant au fond de la chambre pendant une durée spécifique. 33,34

Ces différents pourcentages de Formvar ont été choisis en raison de l'apparence différente des effets des gouttelettes d'eau surfondues dans différents pourcentages de Formvar. De plus, nous voulons confirmer que la lumière transmise au centre du CI pour le GGON et l'asymétrie observée du CI n'étaient pas dues aux conditions et compositions de l'enrobage. Ensuite, les concentrations de CI dans la chambre ont été obtenues en les comptant avec un microscope optique, qui était placé à l'extérieur de la chambre. Les plaques ont été placées dans un dessiccateur où les CI et le chloroforme ont été évaporés. Enfin, la distribution de la taille des CI a été obtenue par traitement d'image des photos. Bien que cette méthode ne soit pas très précise et actualisée, elle peut rendre compte de l'illustration de la cristallisation du GGON.

L'humidité avant la nucléation des IN, a été mesurée par une carte électronique (carte microcontrôleur Arduino Uno) avec 4 capteurs DHT22 pour contrôler le gradient de température. Ainsi, la plateforme de capteurs permet d'obtenir la température et l'humidité actuelles de la chambre. Le contrôle de la température et de l'humidité dans la chambre à nuages peut être une tâche difficile afin de former un nuage homogène dans des conditions spécifiques. Ainsi, nous supposons qu'un gradient de température horizontal et vertical d'environ 1 K m-1 constitue un nuage homogène.

Pour s'assurer de l'influence éventuelle des parois sur le processus de nucléation, la paroi de la chambre a été nettoyée à l'acétone et à l'alcool à chaque expérience et une filtration de l'air a été effectuée avant la formation du nuage. Le LTTS a été réalisé à l'aide d'un petit fil Nichrome conique (réchauffeur) avec une tension spécifique pour tous les matériaux, qui était entouré d'un petit tube en verre Pyrex afin de transporter les particules résultantes vers le fond de la chambre. La température de l'élément chauffant Nichrome allait de la température ambiante jusqu'à 300 °C. Trois types de matériaux disponibles, qui ont le potentiel d'ensemencement de HIN et de nuages froids, ont été injectés de cette manière au fond de la chambre.

Préparation des matériaux

Le processus d'obtention du GGON par LTTS comporte deux étapes principales. Premièrement, nous avons synthétisé l'oxyde de graphite par la méthode de Hummer à partir de la poudre de graphite oxydée. Dans ce processus, dans un flacon de 250 cc, 1 g de graphite a été ajouté à 25 cc de H2SO4. Le flacon a ensuite été placé dans un bain de glace pendant 15 min pour le refroidir à 0 °C. Après cela, 3 g de permanganate de potassium (KMnO4) ont été ajoutés lentement au ballon. La suspension obtenue est ensuite agitée en continu pendant 2 h. La température est maintenue à 35 °C au cours de cette étape. Ensuite, elle a été diluée par 200 cc d'eau désionisée à la température de 60 °C. On a ensuite ajouté une solution de H2O2 dans le ballon sur lequel le permanganate résiduel a été réduit en ions manganèse solubles. Le produit obtenu a ensuite été isolé par filtration, lavé copieusement avec de l'eau désionisée, et séché à 60 °C pendant 24 h pour obtenir de la poudre d'oxyde de graphite. 35

Les spectres Raman de la couche GGO présentent deux pics importants appelés bandes D, G et 2D autour de 1331, 1590 et 2898 cm-1. La bande G montre la présence de structures de type carbone sp2 dans l'échantillon, la bande D est associée à la présence de défauts dans les couches graphitiques hexagonales et la bande 2D est attribuée au développement de la structure graphénique (Fig. 1a). La diffraction des rayons X (XRD) a été utilisée pour étudier la morphologie des feuilles de GGO et a fourni les pics à 2θ = 10° (d001 = 0.83 nm), 2 θ = 20° (d002 = 0 0.48 nm), 2θ = 26° (d002 = 0 34 nm) et 2θ = 55° (d004 = 0 0.17 nm). Les pics à 2θ = 26°, 55° sont caractéristiques du graphite et après oxydation chimique de celui-ci, la distance interplanaire augmente et les autres pics apparaissent (Fig. 1b). La distance entre les feuilles de GGO est similaire à la constante du réseau c de IC selon les résultats de la XRD. 36

(a) Spectroscopie Raman, (b) XRD (c) FTIR (pour la poudre d'oxyde de graphite avant le choc thermique), (d) SEM, (e) TEM et de différents types de feuilles GGO, (f) Tableau d'EDX pour la présence de certaines impuretés dans la couche GGO.

 

Les spectres FTIR montrent la présence de C-H, C-O, C-O-C, C-C et C = O à 900, 1020, 1123, 1583 et 1710 cm-1 respectivement dans la Fig. 1c. L'intensité des pics est différente pour les couches G et la poudre d'oxyde de graphite. En particulier, l'apparition d'un pic étalé dans la région de 3000 à 3600 cm-1 est observée dans l'IRTF de la poudre d'oxyde de graphite qui est liée à la vibration de traction de la liaison O-H (Fig. 1c). Les nanoparticules de GGO montrent un pic plus faible dans la même longueur d'onde de vibration. L'imagerie SEM et TEM montre la microstructure du GGO synthétisé (Figs. 1d,e). L'analyse EDX correspondante au tableau indique la présence de certaines impuretés dans la couche de GGO (Fig. 1f). L'existence de No3- est claire dans ce tableau.

Même si notre objectif principal était de considérer l'activité IN du GGON, nous avons considéré trois types d'IN disponibles dans les mêmes conditions afin de confirmer et de comparer les résultats obtenus. L'AgI, la kaolinite et le GGON ont été utilisés dans notre expérience afin de comparer l'activité de l'IN. Nous avons utilisé le mélange pyrotechnique des torches russes PV-26, qui est utilisé dans l'ensemencement opérationnel des nuages, qui contient jusqu'à 4% AgI (Fig. 2a). L'AgI commercial dû aux matériaux pyrotechniques peut être facilement brûlé dans le réchauffeur Nichrome. Nous avons utilisé une forme commerciale de kaolin, qui contient 47,35% SiO2 et 37% Al2O3. D'autres impuretés telles que Na2O (1,11%), MgO (0,24%), CaO (0,65%), TiO2 (0,2%) et Fe2O3 (0,83%) existaient également dans le kaolin utilisé (voir Fig. 2c).

Iodure d'argent provenant de torches PV-26, (b) poudre d'oxyde de graphite, (c) poudre de kaolinite.

Dans la deuxième étape, la poudre d'oxyde de graphite (Fig. 2b) a été placée dans le dispositif de chauffage afin d'effectuer un LTTS rapide, et les GGON dans la chambre à nuages ont été obtenus. Nous avons utilisé 0,01 g des matériaux susmentionnés dans le dispositif de chauffage pour les introduire dans la chambre dans chaque expérience. Il faut noter que le choc thermique est une méthode célèbre pour réduire le GO, mais il est très sensible au gradient de température (°C /h). Dans cette expérience, le Nichorome est devenu rouge en quelques secondes et le processus de LTTS s'est produit en moins de 10 secondes.

Résultats et discussions

Les nanoparticules à base de carbone résultantes sont collectées sur une plaque préparée et le traitement d'image des nanoparticules au MEB est effectué avec l'utilisation de la taille pré-spécifique (Fig. 3a,b). La distribution de taille des GGON et leurs caractéristiques au MEB sont présentées dans la Fig. 3. La distribution de taille des GGON résultant du LTTS varie de 80 nm à 400 nm avec une distribution maximale autour de 160-180 nm (Fig. 3a,b). Ces feuilles de GGO dans l'IN, où elles forment un îlot hexagonal hydrophobe dans la structure hydrophile, peuvent constituer des sites actifs sur l'IN et être activées dans la chambre à nuages. La formation de ces sites actifs sur le GGON est très importante pour la microphysique de l'IN et du nuage, et le mécanisme d'adsorption de l'eau sur ces sites doit être clarifié davantage. Nous essayons donc dans la section suivante de décrire cette adsorption de molécules d'eau du point de vue de la nanostructure. En outre, la figure 3c représente le groupe époxy et carboxyle dans le GGON par analyse FTIR.

(a) SEM, (b) distribution de la taille du GGON dérivée du traitement d'image et (c) FTIR du GGON.

 

D'après les résultats des figures 1 et 3, on peut déduire que la distribution des tailles et la structure des GGON obtenus à partir des LTTS présentent un intérêt pour la formation de HIN et de IC. Cette distribution est compatible avec les mesures précédentes des compteurs d'aérosols de BC (typiquement des pics dans la gamme 120-170 nm) pour agir comme CCN et la taille de la suie thermique. Le rapport élevé de O/C indique la présence simultanée de la couche G et GO. Bien que G soit hydrophobe, GO est hydrophile et l'existence de ces deux propriétés côte à côte fournit le fond bénéfique pour la nucléation de la glace. En outre, les recherches montrent que la fraction du rapport O/C (ici environ 3) et le faible taux de carbone organique ont une influence positive sur les caractéristiques des sites actifs et, par conséquent, sur l'activité de nucléation de la glace. 24

Certains ions d'impureté tels que NO3- sont insérés dans les couches de graphène pendant le processus de synthèse, et ils peuvent augmenter la probabilité d'existence de sites actifs dans le GGON en augmentant l'espacement entre les couches et l'adsorption chimique. De ce point de vue, les impuretés du GGON peuvent agir comme des impuretés de l'AgI. La présence de groupes fonctionnels tels que les groupes hydroxyle et carboxyle dans le GGON entraîne l'adsorption de molécules d'eau par des liaisons hydrogène.

En fait, les molécules d'eau ont une forme polaire près de la surface du GGON comme ci-dessous :

2H2OOH-+H3O+2H2O→OH-+H3O+

L'ion positif se lie au groupe actif de la surface en retirant les électrons et les ions négatifs peuvent interagir avec la partie positive d'une autre molécule d'eau. En raison de la distribution aléatoire des feuilles G et GO avec une volonté différente d'attirer l'eau, ce mécanisme peut également être important dans l'asymétrie de la formation de CI par le GGON. En outre, l'eau adsorbée peut pénétrer dans les capillaires internes. La pénétration de l'eau vers le bas peut augmenter la force d'adsorption et la distance entre les couches de GGO.

Comme indiqué précédemment, certaines recherches ont démontré que les fissures, les cavités et les bords du substrat peuvent entraîner la formation de sites actifs dans l'IN, les capillaires de GGO peuvent donc agir de la même manière. La distance entre les feuilles de GGO est similaire à la constante du réseau c de IC selon les résultats de la XRD. De plus, le réseau hexagonal et les propriétés fractales des GGO entraînent une correspondance cristalline entre eux et les cristaux de glace, ce qui a un effet important sur la capacité de nucléation.

Selon la description de ces nanostructures, les feuilles de GGO dans le GGON, où elles forment un îlot hexagonal hydrophobe dans la structure hydrophile, peuvent constituer des sites actifs dans l'IN et être activées dans la chambre à nuages (Fig. 4). La formation de l'IC par le GGON dans la chambre à nuages est présentée dans la Fig. 4. Ici, trois conditions de nuage spécifiques à T = -10 °C, -15 °C et -20 °C ont été sélectionnées dans la chambre à nuage pendant l'importation du GGON afin d'étudier les effets de la température sur la formation du CI. Les effets de trois types de l'IN (le GGON dans la première ligne, AgI et la kaolinite dans la deuxième et troisième ligne) sont montrés pour comparaison dans la figure 5. La figure 5a montre le CI du GGON, dont les tailles et les formes sont différentes des deux autres matériaux (comparez la figure 5a avec les figures 5b et 5c). Leurs tailles sont plus petites que les CI de l'AgI et de la kaolinite.

Le centre des CI de GGON transmet la lumière visible sous-jacente dans tous les pourcentages de solution Formvar, mais cet effet n'a pas été observé dans les CI d'autres matériaux. Ceci est dû aux célèbres caractéristiques optiques du GGO, dans lequel le GGO transmet plus de 95% de lumière visible. 37

IC avec l'utilisation de GGON dans la chambre à nuages.

 

Réplique de CI formée sur des lames recouvertes de formvarpoly vinyl formal et de chloroforme 2% (première colonne), de chloroforme 4% (colonne du milieu) et de chloroforme 6% (dernière colonne), (a) GGON (b) AgI (c) Kaolinite.

 

Il existe également certains types d'asymétrie et de déformation dans la formation du CI de GGON. L'asymétrie de la structure de certains cristaux est visible sur la figure 5a. Une raison probable de cet effet a été déclarée du point de vue de la nanostructure. Un type d'asymétrie dans la CI avait été rapporté précédemment pour la protéine antigel de la tordeuse du bourgeon d'épicéa à la pression atmosphérique. Ils ont interprété cette asymétrie en termes de séquences croissance-fusion-croissance, dans lesquelles les formes de croissance et de fusion de la glace de morphologie hexagonale à facettes, sont tournées de 30° les unes par rapport aux autres. Mais cette asymétrie ou déformation de l'IC de GGON n'est pas régulière et ordonnée. Ici, un type d'asymétrie directionnelle qui tend à être circulaire au bord de l'IC a été vu. Certaines grosses gouttelettes circulaires existent également sur la figure 5a, ce qui est similaire à la formation de gouttelettes dont le centre ne transmet pas la lumière (particules de graphite). 38

Ainsi, différents mécanismes peuvent contribuer à l'IC et à l'activation des GGON. D'une part, le LTTS peut entraîner non seulement la formation de GGON, mais aussi de particules de graphite. D'autre part, certains sites actifs du GGON peuvent contenir des sites de graphite hygroscopique. Ces deux mécanismes probables peuvent entraîner une asymétrie dans le CI. Dans le premier mécanisme, la croissance des IN dans les sites actifs du GGON et certaines formes circulaires sont dues à l'absorption d'eau du graphite hygroscopique. Ensuite, la coagulation peut justifier le CI observé. Les gouttelettes sont également plus sombres que le CI en raison de la congélation rapide des gouttelettes surfondues, lorsqu'elles entrent en collision avec les particules de graphite. En effet, lorsque les gouttelettes surfondues gèlent immédiatement sur l'IC, elles produisent un revêtement de glace opaque contenant de nombreuses bulles d'air.

Ce dernier mécanisme peut entraîner une asymétrie et une déformation d'un IN, dans lequel il a tendance à croître comme un cristal sous un aspect et à s'activer comme une gouttelette sous un autre aspect. Cette interprétation est également compatible avec les résultats de la XRD, dans lesquels les pics à 2θ = 26°, 55° sont caractéristiques du graphite. Les effets des gouttelettes surfondues sur les plaques qui sont plus apparents dans un pourcentage plus élevé de chloroforme (4% et 6%) ne peuvent pas être observés pour le GGON. Cela signifie que la plupart des gouttelettes du nuage dans la chambre peuvent se transformer en gouttelettes IC ou plus grandes.

La distribution de la taille des CI dans la chambre est présentée à la figure 6 à trois températures différentes, T = -20 °C, -15 °C et -10 °C. Les résultats montrent que les différents comportements sont différents à ces températures. HIN est comparable à AgI. Le diamètre circulaire et la distribution de taille des cristaux qui existent dans l'iodure d'argent ont été mesurés et le résultat peut être vu dans la Fig. 6a. Les diamètres circulaires de ces cristaux sont compris entre 10 et 180 µm. La gamme maximale du diagramme est de 50 µm à 100 µm. Le diamètre circulaire et la distribution de taille des cristaux qui existent dans la Kaolinite ont été mesurés et le résultat peut être vu dans la Fig. 6b. Les diamètres circulaires de ces cristaux sont compris entre 10 et 180 µm.

La gamme maximale du diagramme est de 50 µm à 80 µm. Le diamètre circulaire et la distribution de taille des cristaux qui existent dans le GGON ont été mesurés et le résultat peut être vu dans la Fig. 6c. Les diamètres circulaires de ces cristaux sont compris entre 10 et 180 µm. La gamme maximale de CI se produit à -10 °C et la concentration de CI augmente avec la température. Cet effet est probablement dû à l'augmentation de la concentration de IC avec l'absorption d'eau des particules de graphite hygroscopiques qui se sont formées pendant le mode de contact dans les plages plus chaudes.

Distribution de taille des IC avec (a) iodure d'argent. (b) Kaolinite, (c) nanoparticules G et GO.

 

Conclusion

La nucléation de la glace nécessite généralement des sites actifs dans les aérosols afin d'agir comme un IN. Les caractéristiques chimiques et mécaniques de la surface du substrat sont importantes pour la création de sites actifs dans l'IN. Par conséquent, les ions impurs et les fissures, les cavités et les capillaires entraînent la formation de sites actifs. Dans cette étude, la formation de HIN et IC sur les sites actifs probables du GGON, obtenu à partir d'oxyde de graphite par LTTS, a été considérée. La distribution de la taille du GGON s'étendait de 80 nm à 400 nm avec une distribution maximale autour de 160-180 nm, ce qui est compatible avec les mesures précédentes des compteurs d'aérosols de BC (pics typiques dans la gamme de 120-170 nm) et de la taille de la suie thermique (distribution de la taille du noyau avant expansion de 150-250 nm). 15,24,25

Les spectres FTIR montrent la présence de C-H, C-O, C-O-C, C-C pour les couches G et la poudre d'oxyde de graphite, en ce que la vibration de traction de la liaison O-H de l'oxyde de graphite dans la région de 3000 à 3600 cm-1 illustre le pic d'étalement. Les spectres Raman des feuilles de GGO présentent deux pics importants appelés bandes D, G et 2D, où la bande G montre la présence de sp2 structures de type carbone au sein de l'échantillon, la bande D est associée à la présence de défauts dans les couches graphitiques hexagonales et la bande 2D est attribuée au développement de la structure du graphène. Le GGON contenait des feuilles de GGO, où les sites actifs souhaités de l'îlot hexagonal hydrophobe sont placés dans la structure hydrophile.

Bien que G soit hydrophobe, GO est hydrophile et l'existence de ces deux propriétés côte à côte fournit le contexte favorable à la nucléation de la glace. La distance entre les feuilles de GGO est similaire à la constante du réseau c de IC selon les résultats de la XRD. De plus, le réseau hexagonal et les propriétés fractales des GGO provoquent une correspondance cristalline entre eux et les cristaux de glace, ce qui a un effet important sur la capacité de nucléation. Après l'introduction de ces particules à base de carbone dans la chambre à nuage par LTTS, des IC se sont formés. Selon l'EDX et les résultats, certains ions d'impureté tels que No3- sont insérés dans les couches de graphène pendant le processus de synthèse, et comme l'AgI, ils peuvent augmenter la probabilité d'existence de sites actifs dans le GGON en augmentant l'espacement entre les couches et l'adsorption chimique. En outre, l'eau adsorbée peut pénétrer dans les capillaires internes. La pénétration de l'eau vers le bas peut augmenter la force d'adsorption et la distance entre les couches du GGO.

Les CI du GGON sont plus petits que ceux de l'AgI et de la kaolinite. Le centre du CI des GGON transmet la lumière visible sous-jacente dans tous les pourcentages de solution Formvar. Ceci est dû aux célèbres caractéristiques optiques de la feuille GGO, dans laquelle les GGO transmettent plus de 95% de lumière visible. Il existe également certains types d'asymétrie et de déformation dans la formation IC du GGON. Un type d'asymétrie qui a tendance à être circulaire sur le bord a été observé. Il existe également de grandes gouttelettes circulaires dont le centre ne transmet pas la lumière sous-jacente en raison de la structure différente des particules de graphite. Deux mécanismes possibles ont été proposés pour expliquer l'asymétrie ou la déformation observée dans la formation du GGON.

Tout d'abord, les LTTS peuvent entraîner non seulement le GGON, mais aussi quelques particules de graphite. Ensuite, les IN se développent dans les sites actifs des GGON et certaines gouttelettes se forment en raison de l'absorption d'eau du graphite hygroscopique. Leur coagulation et leur collision peuvent alors justifier la CI observée. Deuxièmement, certains sites actifs du GGON peuvent contenir des sites de graphite hygroscopique. Ce mécanisme peut entraîner l'asymétrie et la déformation d'un IN, dans lequel il a tendance à croître comme un cristal sous un aspect et à s'activer comme une gouttelette sous un autre aspect. Cette interprétation est également compatible avec les résultats de la XRD, dans lesquels les pics à 2θ = 26°, 55° sont caractéristiques du graphite. 35

En plus des propriétés électroniques, mécaniques et thermiques fascinantes des feuilles de GGO, leur HIC de nanoparticules 2D devrait être étudié davantage. Certaines de leurs propriétés intéressantes et les mécanismes possibles de formation de CI ont été présentés. En raison du manque d'instruments de laboratoire pour la distribution optique de la taille des aérosols, le compteur CCN, le CPC et le SP2, nous ne pouvons pas déterminer avec précision la fraction d'activation du GGON dans différentes rations de SS. Des études complémentaires peuvent être réalisées à l'aide du SP2. Ainsi, en raison de l'importance des particules de type carbone dans de nombreux phénomènes, tels que les feux de forêt et les cendres volcaniques, et de leurs effets sur le changement climatique, nous proposons de poursuivre l'étude de ces nanoparticules de carbone 2D dans de grandes chambres à nuages réputées, avec des instruments suffisamment modernes. En outre, la formation probable de particules de carbone 2D pendant les feux de forêt et les éruptions volcaniques a également été proposée.

Références

1. Stephens, G. L. Cloud feedbacks in the climate system : A critical review. J. Climate 18, 237-273 (2005).

ADS Article Google Scholar

2. Gettelman, A., Liu, X., Barahona, D., Lohmann, U. & Chen, C. Climate impacts of ice nucleation. J. Geophys. Res. 117, D20201 (2012).

ADS Article Google Scholar

3. Baker, M. Microphysique des nuages et climat. Science 276, 1072-1078 (1997).

CAS Article Google Scholar

4. Heymsfield et al. The Ice in Clouds Experiment- Research plan. Document de synthèse scientifique, 42 pages. (2006).

5. Bartels-Rausch, T. Dix choses que nous devons savoir sur la glace et la neige. Nature 494, 27-29 (2013).

ADS CAS Article Google Scholar

6. McFiggans, G. et al. The effect of physical and chemical aerosol properties on warm cloud droplet activation. Atmos. Chem. Phys. 6, 2593-2649 (2006).

ADS CAS Article Google Scholar

7. Rogers, R. R. & Yau, M. K. A Short Course in Cloud Physics. 3rd ed. International Series in Natural Philosophy, Vol. 113, Pergamon Press, 290 pp (1989).

8. Seinfeld, J., & Spyros, N. Atmospheric chemistry and physics, from air pollution to climate change. au Canada, deuxième édition (2006).

9. DeMott, P. J. et al. Resurgence in ice nuclei measurement research. Bull. Amer. Meteor. Soc. 92, 1623-1635 (2011).

Article Google Scholar

10. Pruppacher, H. & Klett, J. Microphysics of clouds and precipitation. ISBN 978-0-7923-4211-3 (1997).

11. Niedermeier, D. et al. Peut-on définir une valeur asymptotique pour la densité des sites de surface actifs de la glace pour la nucléation hétérogène de la glace ? J. Geophys. Res. Atmos. 120, 5036-5046 (2015).

ADS Article Google Scholar

12. Kanji, Z. A. et al. Overview of Ice Nucleating Particles. Meteorol. Monogr. 58, 1-33 (2017).

ADS Article Google Scholar

13. Mertes, S. et al. Counter flow virtual impactor based collection of small ice particles in mixed-phase clouds for the physico-chemical characterization of tropospheric ice nuclei : Description de l'échantillonneur et première étude de cas. Aerosol Sci. Technol. 41, 848-864 (2007).

ADS CAS Article Google Scholar

14. Murray, B. J., O'Sullivan, D., Atkinson, J. D. & Webb, M. E. Ice nucleation by particles immersed in supercooled cloud droplets. Chem. Soc. Rev. 41, 6519-6554 (2012).

CAS Article Google Scholar

15. Koehler, K. A. et al. Cloud condensation nuclei and ice nucleation activity of hydrophobic and hydrophilic soot particles. Phys. Chem. Phys. 11, 7906-7920 (2009).

CAS Article Google Scholar

16. Kiselev, A. et al. Sites actifs dans la nucléation hétérogène de la glace - L'exemple des feldspaths riches en K. Science 355, 367-371 (2017).

ADS CAS Article Google Scholar

17. Campbell, J. M. & Christenson Hugo, K. Observing the formation of ice and organic crystals in active sites. Phys. Rev. Lett. 120, 165701 (2018).

ADS CAS Article Google Scholar

18. Lanal, A., Sim, R., Vallina, S. M. & Dachs, J. Potential for a biogenic influence on cloud microphysics over the ocean. Atmos. Chem. Phys. 12, 7977-7993 (2012).

ADS Article Google Scholar

19. Schill, S. R. et al. The impact of aerosol particle mixing state on the hygroscopicity of sea spray aerosol. ACS Cent. Sci. 1, 132-141 (2015).

CAS Article Google Scholar

20. Woodhouse, T. et al. The importance of feldspar for ice nucleation by mineral dust in mixed-phase clouds. Nature 498(7454), 355-358 (2013).

ADS Article Google Scholar

21. Harrison, A. D. et al. Not all feldspars are equal : A survey of ice nucleating properties across the feldspar group of minerals. Atmos. Chem. Phys. 16, 10 927-10 940 (2016).

CAS Article Google Scholar

22. Kulkarni, G., Sanders, C., Zhang, K., Liu, X. & Zhao, C. Ice nucleation of bare and sulfuric acid coated mineral dust particles and implication for cloud properties. J. Geophys. Res. Atmos. 119, 9993-10 011 (2014).

ADS CAS Article Google Scholar

23. Sihvonen, S. K. et al. Chemical and physical transformations of aluminosilicate clay minerals due to acid treatment and consequences for heterogeneous ice nucleation. J. Phys. Chem. 118A, 8787-8796 (2014).

Article Google Scholar

24. Motos, G. et al. Cloud droplet activation properties and scavenged fraction of black carbon in liquid-phase clouds at the high-alpine research station Jungfraujoch (3580 m a.s.l.). Atmos. Chem. Phys. 19, 3833-3855 (2019).

ADS CAS Article Google Scholar

25. Crawford, I. et al. Studies of propane flame soot acting as heterogeneous ice nuclei in conjunction with single particle soot photometer measurements. Atmos. Chem. Phys. 11, 9549-9561 (2011).

ADS CAS Article Google Scholar

26. Geim, A. K. & Novoselov, K. S. The rise of graphene. Nature Mater. 6, 183 (2007).

ADS CAS Article Google Scholar

27. Castro Neto, A. H. et al. The electronic properties of graphene. Rev. Mod. Phys. 81, 109 (2009).

ADS CAS Article Google Scholar

28. Kampars, V. & Legzdina, M. Désoxygénation thermique de l'oxyde de graphite à basse température. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 77, 012033 (2015).

Article Google Scholar

29. Sydlik, S. A. et al. Compatibilité in vivo de GO avec des états d'oxydation différents. ACS Nano 9(4), 3866-3874 (2015).

CAS Article Google Scholar

30. Zheng, Y., Su Ch., L. J. & Loh, K. Seeding ice growth at ambient conditions using Nano GO. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 1-6 (2013).

Article Google Scholar

31. Whale, T. F., Lopez, M., R. Murray, B. J. & Salzmann, C. G. Ice Nucleation Properties of Oxidized Carbon Nanomaterials. J. Phys. Chem. Lett. 6(15), 3012-3016 (2015).

CAS Article Google Scholar

32. Lupi, L., Hudait, A. & Molinero, V. Heterogeneous Nucleation of Ice on Carbon Surfaces. J. Am. Chem. Soc. 136(8), 3156-3164 (2014).

CAS Article Google Scholar

33. Magono, C. & Lee, C. W. Meteorological classification of natural snow crystals. J. Faculty Sci., Hokkaido University, Ser. VII 2, 321-335 (1966).

Google Scholar

34. Schaefer, V. La préparation de répliques de cristaux de neige VI. Weatherwise 9, 132-134 (1956).

Article Google Scholar

35. Ostovari, F., Abdi, Y., Ghasemi, F., Controllable formation of graphene and graphene oxide sheets using photo-catalytic reduction and oxygen plasma treatment, EUR PHYS J-APPL PHYS. 60 (3). (2012).

36. Gascho, L. S. J., Costa, F. S., Recco, A. C. A. & Pezzin, H. S. Graphene Oxide Films Obtained by Vacuum Filtration : Preuve par diffraction des rayons X de la réorganisation cristalline. Journal of Nanomaterials 2019, 1-12 (2019).

Article Google Scholar

37. Kavitha, M. K. & Jaiswal, M. Graphene : A review of optical properties and photonic applications. Asian J. Phys. 25(No 7), 809-831 (2016).

Google Scholar

38. Pertaya, N. et al. Growth-melt asymmetry in ice crystals under the influence of spruce budworm antifreeze protein. J. Phys. Condens. Matter 19 (2007).