Branching ratios of water and ammonia evaporation have been measured for spontaneous evaporation from protonated mixed clusters H+(H2O)n(NH3)m in the size range 0 ≤ n ≤ 11 and 0 ≤ m ≤ 7. Mixed clusters evaporate water except for clusters containing six or more ammonia molecules, indicating the formation of a stable core of one ammonium ion surrounded by four ammonia molecules and a second shell consisting predominantly of water. We relate evaporative branching ratios to free energy differences between the products of competing channels and determine the free energy differences for clusters with up to seven ammonia molecules. Clusters containing up to five ammonia molecules show a very strong scaling of these free energy differences.
REFERENCES
1.
M.
Kulmala
, H.
Vehkamäki
, T.
Vesala
, J. C.
Barrett
, and C. F.
Clement
, J. Aerosol Sci.
26
, 547
–558
(1995
).2.
J.
Kirkby
, J.
Curtius
, J.
Almeida
, E.
Dunne
, J.
Duplissy
, S.
Ehrhart
, A.
Franchin
, S.
Gagné
, L.
Ickes
, A.
Kürten
, A.
Kupc
, A.
Metzger
, F.
Riccobono
, L.
Rondo
, S.
Schobesberger
, G.
Tsagkogeorgas
, D.
Wimmer
, A.
Amorim
, F.
Bianchi
, M.
Breitenlechner
, A.
David
, J.
Dommen
, A.
Downard
, M.
Ehn
, R. C.
Flagan
, S.
Haider
, A.
Hansel
, D.
Hauser
, W.
Jud
, H.
Junninen
, F.
Kreissl
, A.
Kvashin
, A.
Laaksonen
, K.
Lehtipalo
, J.
Lima
, E. R.
Lovejoy
, V.
Makhmutov
, S.
Mathot
, J.
Mikkilä
, P.
Minginette
, S.
Mogo
, T.
Nieminen
, A.
Onnela
, P.
Pereira
, T.
Petäjä
, R.
Schnitzhofer
, J. H.
Seinfeld
, M.
Sipilä
, Y.
Stozhkov
, F.
Stratmann
, A.
Tomé
, J.
Vanhanen
, Y.
Viisanen
, A.
Virtala
, P. E.
Wagner
, H.
Walther
, E.
Weingartner
, H.
Wex
, P. M.
Winkler
, K. S.
Carslaw
, D. R.
Worsnop
, U.
Baltensperger
, and M.
Kulmala
, Nature
476
, 429
(2011
).3.
E. M.
Dunne
, H.
Gordon
, A.
Kürten
, J.
Almeida
, J.
Duplissy
, C.
Williamson
, I. K.
Ortega
, K. J.
Pringle
, A.
Adamov
, U.
Baltensperger
, P.
Barmet
, F.
Benduhn
, F.
Bianchi
, M.
Breitenlechner
, A.
Clarke
, J.
Curtius
, J.
Dommen
, N. M.
Donahue
, S.
Ehrhart
, R. C.
Flagan
, A.
Franchin
, R.
Guida
, J.
Hakala
, A.
Hansel
, M.
Heinritzi
, T.
Jokinen
, J.
Kangasluoma
, J.
Kirkby
, M.
Kulmala
, A.
Kupc
, M. J.
Lawler
, K.
Lehtipalo
, V.
Makhmutov
, G.
Mann
, S.
Mathot
, J.
Merikanto
, P.
Miettinen
, A.
Nenes
, A.
Onnela
, A.
Rap
, C. L. S.
Reddington
, F.
Riccobono
, N. A. D.
Richards
, A. D.
Nigel
, M. P.
Rissanen
, L.
Rondo
, N.
Sarnela
, S.
Schobesberger
, K.
Sengupta
, M.
Simon
, M.
Sipilä
, J. N.
Smith
, Y.
Stozkhov
, A.
Tome
, J.
Trostl
, P. E.
Wagner
, D.
Wimmer
, P. M.
Winkler
, D. R.
Worsnop
, and K. S.
Carslaw
, Science
354
, 1119
–1124
(2016
).4.
M.
Kulmala
, J.
Kontkanen
, H.
Junninen
, K.
Lehtipalo
, H. E.
Manninen
, T.
Nieminen
, T.
Petäjä
, M.
Sipilä
, S.
Schobesberger
, P.
Rantala
, A.
Franchin
, T.
Jokinen
, E.
Järvinen
, M.
äijälä
, J.
Kangasluoma
, J.
Hakala
, P. P.
Aalto
, P.
Paasonen
, J.
Mikkilä
, J.
Vanhanen
, J.
Aalto
, H.
Hakola
, U.
Makkonen
, T.
Ruuskanen
, R. L.
Mauldin
III, J.
Duplissy
, H.
Vehkamäki
, J.
Bäck
, A.
Kortelainen
, I.
Riipinen
, T.
Kurtén
, M. V.
Johnston
, J. N.
Smith
, M.
Ehn
, T. F.
Mentel
, K. E. J.
Lehtinen
, A.
Laaksonen
, V.-M.
Kerminen
, and D. R.
Worsnop
, Science
339
, 943
(2013
).5.
T.
Kurtén
, V.
Loukonen
, H.
Vehkamäki
, and M.
Kulmala
, Atmos. Chem. Phys.
8
, 4095
–4103
(2008
).6.
S.-K.
Miao
, S.
Jiang
, X.-Q.
Peng
, Y.-R.
Liu
, Y.-J.
Feng
, Y.-B.
Wang
, F.
Zhao
, T.
Huang
, and W.
Huang
, RSC Adv.
8
, 3250
(2018
).7.
J.
Almeida
, S.
Schobesberger
, A.
Kürten
, I. K.
Ortega
, O.
Kupiainen-Määttä
, A. P.
Praplan
, A.
Adamov
, A.
Amorim
, F.
Bianchi
, M.
Breitenlechner
, A.
David
, J.
Dommen
, N. M.
Donahue
, A.
Downard
, E.
Dunne
, J.
Duplissy
, S.
Ehrhart
, R. C.
Flagan
, A.
Franchin
, R.
Guida
, J.
Hakala
, A.
Hansel
, M.
Heinritzi
, H.
Henschel
, T.
Jokinen
, H.
Junninen
, M.
Kajos
, J.
Kangasluoma
, H.
Keskinen
, A.
Kupc
, T.
Kurtén
, A. N.
Kvashin
, A.
Laaksonen
, K.
Lehtipalo
, M.
Leiminger
, J.
Leppä
, V.
Loukonen
, V.
Makhmutov
, S.
Mathot
, M. J.
McGrath
, T.
Nieminen
, T.
Olenius
, A.
Onnela
, T.
Petäjä
, F.
Riccobono
, I.
Riipinen
, M.
Rissanen
, L.
Rondo
, T.
Ruuskanen
, F. D.
Santos
, N.
Sarnela
, S.
Schallhart
, R.
Schnitzhofer
, J. H.
Seinfeld
, M.
Simon
, M.
Sipilä
, Y.
Stozhkov
, F.
Stratmann
, A.
Tomé
, J.
Tröstl
, G.
Tsagkogeorgas
, P.
Vaattovaara
, Y.
Viisanen
, A.
Virtanen
, A.
Vrtala
, P. E.
Wagner
, E.
Weingartner
, H.
Wex
, C.
Williamson
, D.
Wimmer
, P.
Ye
, T.
Yli-Juuti
, K. S.
Carslaw
, M.
Kulmala
, J.
Curtius
, U.
Baltensperger
, D. R.
Worsnop
, H.
Vehkamäki
, and J.
Kirkby
, Nature
502
, 359
–363
(2013
).8.
J.
Elm
, M.
Passananti
, T.
Kurtén
, and H.
Vehkamäki
, J. Phys. Chem. A
121
, 6155
–6164
(2017
).9.
J.
Elm
, J. Phys. Chem. A
121
, 8288
–8295
(2017
).10.
J.
Julin
, B. N.
Murphy
, D.
Patoulias
, C.
Fountoukis
, T.
Olenius
, S. N.
Pandis
, and I.
Riipinen
, Environ. Sci. Technol.
52
, 692
–700
(2018
).11.
H.
Svensmark
and E.
Friis-Christensen
, J. Atmos. Sol.-Terr. Phys.
59
, 1225
–1232
(1997
).12.
F. Q.
Yu
and R. P.
Turco
, J. Geophys. Res.: Atmos.
106
, 4797
, https://doi.org/10.1029/2000jd900539 (2001
).13.
M. B.
Enghoff
, J. O. P.
Pedersen
, U. I.
Uggerhøj
, S. M.
Paling
, and H.
Svensmark
, Geophys. Res. Lett.
38
, L09805
, https://doi.org/10.1029/2011gl047036 (2011
).14.
J. M.
Price
, M. W.
Crofton
, and Y. T.
Lee
, J. Phys. Chem.
95
, 2182
–2195
(1991
).15.
J.-W.
Shin
, N. I.
Hammer
, E. G.
Diken
, M. A.
Johnson
, R. S.
Walters
, T. D.
Jaeger
, M. A.
Duncan
, R. A.
Christie
, and K. D.
Jordan
, Science
304
, 1137
(2004
).16.
Y.-S.
Wang
, H.-C.
Chang
, J.-C.
Jiang
, S. H.
Lin
, Y. T.
Lee
, and H.-C.
Chang
, J. Am. Chem. Soc.
120
, 8777
(1998
).17.
J. C.
Jiang
, H.-C.
Chang
, Y. T.
Lee
, and S. H.
Lin
, J. Phys. Chem. A
103
, 3123
(1999
).18.
C. A.
Deakyne
, J. Phys. Chem.
90
, 6625
(1986
). 19.
M.
Meot-Ner (Mautner)
, Chem. Rev.
105
, 213
(2005
).20.
H. H.
Bueker
and E.
Uggerud
, J. Phys. Chem.
99
, 5945
(1995
).21.
F.
Brugé
, M.
Bernasconi
, and M.
Parrinello
, J. Chem. Phys.
110
, 4734
(1999
).22.
S.
Karthikeyan
, J. N.
Singh
, M.
Park
, R.
Kumar
, and K. S.
Kim
, J. Chem. Phys.
128
, 244304
(2008
).23.
J.
Douday
, F.
Calvo
, and F.
Spiegelman
, J. Chem. Phys.
129
, 154305
(2008
).24.
E. P. L.
Hunter
and S. G.
Lias
, J. Phys. Chem. Ref. Data
27
, 413
–656
(1998
).25.
J. D.
Payzant
, A. J.
Cunningham
, and P.
Kebarle
, Can. J. Chem.
51
, 3242
(1973
).26.
K. Y.
Choo
, H.
Shinohara
, and N.
Nishi
, Chem. Phys. Lett.
95
(3
), 102
(1983
).27.
H.
Shinohara
, U.
Nagashima
, and N.
Nishi
, Chem. Phys. Lett.
111
(4-5
), 511
(1984
).28.
H.
Shinohara
, U.
Nagashima
, H.
Tanaka
, and N.
Nishi
, J. Chem. Phys.
83
(8
), 4183
(1985
).29.
H.
Shinohara
, N.
Nishi
, and N.
Washida
, Chem. Phys. Lett.
153
(5
), 417
(1988
).30.
P.
Hvelplund
, T.
Kurtén
, K.
Støchkel
, M. J.
Ryding
, S.
Brøndsted Nielsen
, and E.
Uggerud
, J. Phys. Chem. A
114
, 7301
–7310
(2010
).31.
A. E. K.
Sundén
, K.
Støchkel
, S.
Panja
, U.
Kadhane
, P.
Hvelplund
, S.
Brøndsted Nielsen
, H.
Zettergren
, B.
Dynefors
, and K.
Hansen
, J. Chem. Phys.
130
, 224308
(2009
).32.
P. U.
Andersson
, M. J.
Ryding
, O.
Sekiguchi
, and E.
Uggerud
, Phys. Chem. Chem. Phys.
10
, 6127
(2008
).33.
K.
Hansen
, P. U.
Andersson
, and E.
Uggerud
, J. Chem. Phys.
131
, 124303
(2009
).34.
K.
Hansen
and U.
Näher
, Phys. Rev. A
60
, 1240
(1999
).35.
P.
Ferrari
, E.
Janssens
, P.
Lievens
, and K.
Hansen
, J. Chem. Phys.
143
, 224313
(2015
).36.
M.
Vidler
and J.
Tennyson
, J. Chem. Phys.
113
, 9766
(2000
).37.
C.
Sousa-Silva
, N.
Hesketh
, S. N.
Yurchenko
, C.
Hill
, and J.
Tennyson
, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
142
, 66
–74
(2014
).38.
J. U.
Andersen
, E.
Bonderup
, and K.
Hansen
, J. Chem. Phys.
114
, 6518
(2001
).39.
K.
Hansen
, J. Chem. Phys.
128
, 194103
(2008
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.