German Title: TRAPS - Schlüsseltechnologie zur Untersuchung nanoskaliger Materie in der Atmosphäre

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Abstract

Die Bedeutung von Nanopartikeln für Prozesse in der Atmosphäre rückt zunehmend in das Interesse von Forschern. In vielen natürlichen Kondensationsprozessen sind die Kondensationskeime kleiner als 10 nm im Durchmesser. Die ist genau der Übergangsbereich vom Cluster zum Festkörper, in dem physikalische und chemische Eigenschaften größenabhängig sind und stark von Obenflächenkontaminationen und Kontakt zu anderen Oberflächen abhängen. Bisher gab es keine Möglichkeit die fundamentalen Eigenschaften von freien, massenselektierten Nanopartikeln mit definiertem Ladungszustand und Durchmessern von 3 bis 30 nm in Laborexperimenten zu untersuchen. Diese Arbeit zeigt die Notwendigkeit auf Laborexperimente zu entwickeln, die freie Nanopartikeln ohne vorherige Abscheidung auf Substraten oder Filtern zu untersuchen. Als Anwendungsbeispiel in der Atmosphärenforschung werden Eiswolken diskutiert, die sich an Nanopartikeln meteorischen Ursprunges in der Mesosphäre bilden. Mit der TRAPS Apparatur ist es nun möglich verschiedene spektroskopische Methoden an freien Nanopartikelstrahlen oder gefangenen Nanopartikelwolken anzuwenden. Massenspekrometrie, optische Extinktionsspektroskopie und Innerschalen-Photoionisationsspektroskopie werden als Anwendungsbeispiele gezeigt. Als wissenschaftliches Novum werden Experimente zur Untersuchung von Eisnukleation an Nanopartikeln und die Bestimmung von Eiswachstumsgeschwindigkeiten unter mesosphärischen Bedingungen sowie XPS Messungen an sub-10 nm SiO2 Partikeln gezeigt.

Translation of abstract (English)

The relevance of nanoparticles in atmospheric processes is a new topic of atmospheric research. In many condensation processes, the condensation nuclei are in the sub 10 nm diameter range. Properties of particles with size in the transition region from cluster to bulk are size dependent and highly sensitive to surface contamination and contact to other surfaces. No investigation of the fundamental properties of free, mass selected nanoparticles with defined charge state and diameters from 3 to 30 nm has been feasible in laboratory experiments so far. This works illustrates the requirement of laboratory experimental methods for the investigation of free nanoparticles without the need for accumulation on substrates or filters. Ice clouds forming on meteoric smoke particle are given as example for the atmospheric relevance of this work. The TRAPS apparatus provides a free nanoparticle beam or a trapped nanoparticle cloud to different spectroscopic methods. Experiments like mass spectrometry, extinction spectroscopy and photoelectron spectroscopy are demonstrated as investigation methods, applicable to nanoparticles of this size range. A method for the investigation of ice nucleation on nanoparticles and determination of growth rates under mesospheric conditions and a method for XPS studies sub-10 nm SiO2 particles are shown as novel scientific results.