气溶胶是均匀悬浮在大气中的液体或固体微粒,对人体健康产生影响。电子显微镜观察表明,很多颗粒物都由覆盖在烟灰黑碳表面的多层有机化合物构成。这些烟灰颗粒主要由生物质或其它燃料的不完全燃烧产生。气溶胶颗粒物很大程度上由排放到空气中的挥发性有机化合物与黑碳颗粒发生反应形成。了解这一过程的物理机理,对理解大气环境污染的形成机制具有重要意义。本文运用分子动力学方法模拟了在室温下的一些气态有机化合物在碳纳米颗粒表面的物理吸附,以了解气溶胶颗粒物的微观形成机制。本文选取了六种常见的城市大气污染挥发性有机化合物作为研究对象,分别为乙烯、丙烯、甲苯、苯乙烯、乙苯以及对二甲苯。模拟在一个碳纳米颗粒表面上随机放置不同类型、密度的分子,追踪系统在常温下一段时间内的运动。作为对比,也模拟了纯气相中相同条件下的分子聚集。模拟结果表明在300K左右的物理吸附过程中,芳香族分子先形成一个分子薄层将碳颗粒包裹其中,随着分子数增加到200个左右,吸附物继续形成岛状的聚集物。与此形成鲜明对比的是,脂类分子的吸附形貌明显比较离散,表现为无论分子数从30到400都无明显的聚集现象。此结果揭示了芳香族分子在气溶胶形成过程中的重要性,与以往的芳香族挥发性有机化合物促进气溶胶的实验报道相吻合。本文还计算了室温下的有机分子与碳颗粒的结合能。与纯气态聚集的情况对比表明,结合能的绝对值都大出很多,这表明碳纳米颗粒的存在会使挥发性化合物更容易聚合,有利于形成更大和更稳定的聚集体。这一结果成功解释了多项实验测量的结果:这些在不同国家和区域,在不同时段进行的实验报导了黑碳颗粒浓度与PM2.5和PM10浓度的正相关性。综上所述,本文用分子动力学方法模拟了气态有机分子在碳纳米颗粒表面的物理吸附,借助模拟结果阐明了大气气溶胶颗粒物的初步形成机制。结果凸显了芳香族挥发性有机化合物和烟灰颗粒在该过程中起到的重要作用,从而解释了一系列的实验测量结果。