Ученые выяснили удивительную тайну образования сажи

Ее воздействие аналогично глобальным выбросам метана и уступает только углекислому газу по своему разрушительному потенциалу. Это связано с тем, что частицы сажи поглощают солнечное излучение, которое нагревает окружающую атмосферу, что приводит к повышению глобальной температуры. Сажа также вызывает ряд других проблем, связанных с окружающей средой и здоровьем, в том числе делает нас более восприимчивыми к респираторным вирусам.

Сажа сохраняется в атмосфере только в течение нескольких недель, что позволяет предположить, что, если эти выбросы можно остановить, воздух может быстро очиститься. Это недавно было продемонстрировано во время недавних блокировок, когда некоторые крупные города сообщали о чистом небе после прекращения промышленных выбросов.

Но сажа — тоже часть будущего человечества. Сажу можно превратить в полезный продукт сажи путем термической обработки для удаления любых вредных компонентов. Технический углерод — важнейший ингредиент аккумуляторов, шин и краски. Если эти атомы углерода сделать достаточно маленькими, их можно даже заставить флуоресцировать и использовать для маркировки биологических молекул, в катализаторах и даже в солнечных элементах.

Учитывая важность сажи и то, как долго человечество производит ее, можно подумать, что ее образование полностью изучено. Тем не менее, это не так. В частности, неизвестен критический переход, когда молекулы группируются с образованием самых первых наночастиц сажи.

Если бы происхождение сажи было полностью понято, ученые могли бы потенциально устранить ее образование и, следовательно, резко снизить ее воздействие на окружающую среду, а также производить более качественные углеродные материалы. Имея это в виду, исследователи из Кембриджского университета и Кембриджского университета CARES недавно опубликовали исчерпывающий обзор происхождения сажи, когда молекулы становятся частицами.

В обзоре, озаглавленном: «Образование сажи: образование углеродных наночастиц в пламени», опубликованном в Progress in Energy and Combustion Science, авторы д-р Джейкоб Мартин , д-р Маурин Саламанка и директор CARES профессор Маркус Крафт заявили: «Только в последнее десятилетие экспериментальные и вычислительные методы в науке о горении смогли заглянуть за дверь, чтобы раскрыть понимание самых ранних механизмов образования углеродистых частиц в пламени».

Были предложены два основных пути образования сажи — физическая конденсация, при которой молекулы образуют капли, или химическая полимеризация, при которой молекулы реагируют с образованием частиц. Но любой путь сам по себе не является оптимальным, поскольку «физическая и электрическая конденсация молекул-предшественников происходит быстро, но слишком слабо, чтобы удерживать сажу вместе, в то время как большинство химических связей сильны, но механизмы, предложенные на сегодняшний день, слишком медленны, чтобы учесть быстрый рост молекул. сажа, наблюдаемая в экспериментах».

Вместо этого авторы предлагают «средний путь», включающий механизмы, имеющие как физические, так и химические аспекты. Выделены многообещающие варианты с участием π-радикалов и бирадикалов, однако убедительные доказательства конкретного механизма, а также прогностических моделей все еще отсутствуют.

В конечном итоге авторы приходят к выводу, что «эмиссия углеродистых наночастиц должна быть исследовательским и промышленным приоритетом для будущего устройств сжигания и применения новых материалов».