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.

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
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.