Det långvariga mysteriet med sotbildning, som förbränningsforskare har försökt förklara i årtionden, verkar äntligen vara löst, tack vare forskning ledd av Sandia National Laboratories.

Sot är allestädes närvarande och har stora skadliga effekter på människors hälsa, lantbruk, energiförbrukning effektivitet, klimat, och luftkvalitet. Ansvarig för avsevärt ökade frekvenser av hjärt- och kärlsjukdomar och lungsjukdomar och associerade dödsfall, sot bidrar också till miljontals dödsfall över hela världen årligen, till stor del från inomhusmatlagning och uppvärmning i utvecklingsländer. Det leder till tiotusentals dödsfall i USA varje år, främst från antropogena utsläpp till atmosfären. I atmosfären kallas utsläpp av sot svart kol.

"Genom att förstå sotbildning, vi har en bättre chans att kunna minska dess farliga utsläpp från motorer, skogsbränder, och koka spisar och kontrollera dess produktion och egenskaper under industriella processer, " sa Sandia-forskaren Hope Michelsen, och tillägger att alla vet vad sot är, men ingen har kunnat förklara hur gasformiga bränslemolekyler blir till sotpartiklar.

Hon sa att sotbildning visar sig vara mycket annorlunda än den typiska processen med gasmolekyler som kondenserar till en partikel, istället, kräver snabba kemiska reaktioner snarare än kondensation.

Lösningen kan även tillämpas på andra högtemperaturförhållanden, som det interstellära rymden, där stora mängder kol-dammpartiklar bildas, Hon sa.

Detta banbrytande arbete publicerades i en Vetenskap tidskriftspapper, "Resonansstabiliserade kolvätekedjereaktioner kan förklara sotstart och tillväxt." Författare inkluderar Sandia-forskarna Michelsen, Olof Johansson, och Paul Schrader; Kevin Wilson från Lawrence Berkeley National Laboratory; och Martin Head-Gordon från University of California, Berkeley, och Lawrence Berkeley National Lab.

Arbetet finansierades av Institutionen för energis kontor för grundläggande energivetenskaper. "Arbetet representerar en enorm vetenskaplig framgång som ett resultat av år av stöd för fokuserade, systematiskt arbete med att utveckla en grundläggande förståelse för högtemperaturkolvätekemi, sa Michelsen.

Sotbildning undersökt

Sot bildas vid förbränning av kolvätebränslen, som olja, naturgas, och trä. Även om det har skadliga hälso- och miljöeffekter, sot är extremt viktigt för många industriella processer, såsom pannans prestanda, glasproduktion, och kolsvart generering för gummiproduktförstärkning och pigment.

Trots sotets allestädes närvarande och betydelse, den grundläggande kemin som förklarar varför molekylerna i en låga håller ihop vid höga temperaturer och bildar partiklar har förblivit ett vetenskapligt pussel fram till nu, sa Michelsen.

I sin slutliga form, sot är ett fast ämne som mycket liknar grafit, men det bildas initialt av gasformiga kolväten. Experimentella bevis tyder på att den övergår från en gas till en vätska innan den blir fast. Forskare har i årtionden försökt förklara den övergången. "De flesta känner till hur gasfasen i vatten - vattenånga - kondenseras till droppar när den svalnar. Genom att kyla den ytterligare förvandlas den till is, den fasta fasen av vatten. Sot är annorlunda, sa Michelsen.

Sotpartiklar bildas när gasformiga molekyler värms upp till höga temperaturer, och de omvandlas inte lätt till gasformiga molekyler som vattendroppar gör när de värms upp. Starka kemiska bindningar håller ihop sotpartiklar. "Att göra sot är mer som att baka en kaka än att kondensera vatten. Upphettning av flytande kaksmet till höga temperaturer gör den till en stabil fast form, " förklarade Michelsen.

Forskare har länge misstänkt att kemiska bindningar måste bildas för att göra sot. Dock, sotbildningen är snabb, och forskare förstod inte hur de nödvändiga kemiska bindningarna kunde bildas så snabbt. För att göra problemet ännu svårare, forskarna var inte ens säkra på vilka gasfasmolekyler som var inblandade i att producera sot.

"Det är väldigt svårt att göra mätningar i en låga, sa Michelsen, "och, utan mätningar av de deltagande molekylarterna, det är som att försöka lista ut hur en tårta görs utan att veta ingredienserna."

Radikala arter av lågor studerade

Nyckeln till sotbildning, det visar sig, är resonansstabiliserade radikaler, sa Johansson. I allmänhet, molekyler som är radikaler har oparade elektroner som de vill dela, vilket gör dem reaktiva. Men, till skillnad från de flesta radikaler, dessa resonansstabiliserade radikaler har oparade elektroner som deltar i andra bindningar i molekylen. Att dela elektrontäthet mellan de oparade elektronerna och andra bindningar i molekylen gör dessa radikaler mer stabila än andra radikaler, men, ändå, de är mer reaktiva än de flesta andra stora molekyler som bildar sot. Mätningar utförda vid Advanced Light Source vid Lawrence Berkeley Lab visade en sekvens av dessa radikala arter i alla studerade lågor. Michelsen sa att andra forskare hade sett dessa radikaler och trodde att de kunde vara inblandade i sotbildning, men det verkade inte finnas tillräckligt många för att vara huvudföraren.

"Vi kom på att dessa radikaler kan starta en kedjereaktion, sa Michelsen.

När dessa radikaler reagerar med andra molekyler, de kan lätt bilda nya resonansstabiliserade radikaler. I processen, de reagerar med andra gasformiga kolväten och fortsätter att växa, regenererande radikaler som en del av den växande partikeln.

Johansson förklarade, "Vi utförde beräkningar för att visa att den här processen borde ske snabbt."

"Det är egentligen ganska enkelt, ja... när du väl vet svaret, " sade Michelsen. "Den kemiska mekanismen är relevant för många högtemperaturprocesser, inklusive bildandet av interstellära stoftpartiklar, som genomsyrar vår galax. Vi är mycket glada över att ha låst upp mysteriet med sotbildning, skapandet av kolpartiklar som för närvarande överväldigar vissa delar av världen till följd av skogsbränder och som kan ha en så förödande effekt på människors hälsa."

Professor William Green vid Massachusetts Institute of Technology sa att det länge har spekulerats i att vägar som involverar resonansstabiliserade radikaler kan vara viktiga för polycykliska aromatiska kolväten (PAH) och sotbildning. eftersom de kända reaktionerna inte är tillräckligt snabba för att förklara den snabba sotbildningen.

"Faktiskt är några specifika reaktioner av resonansstabiliserade radikaler som leder till PAH kända, men hittills har ingen presenterat en övertygande allmän mekanism som stöds av experimentella observationer, Green sa. "Jag ser fram emot att införliva dessa nyupptäckta reaktionsvägar i en omfattande PAH-bildningsmekanism, för att bestämma omfattningen av reaktionsförhållanden där dessa nyupptäckta vägar är viktiga."