Den heta, ibland högt tryck, ändå är jämna förhållanden bakom reflekterade stötvågor den idealiska miljön för att studera förbränningens kemiska komplexitet.

Aamir Farooq, från KAUSTs Clean Combustion Research Center, och hans team, har använt ett stötrör i kombination med laserdiagnostik för att studera den snabba kaskad av kemiska reaktioner som sätts igång när bränsle förbränns. Dessa data kan hjälpa till vid utformningen av städare, effektivare motorer och bränslen än vad som finns tillgängligt för närvarande. Insikterna kan också användas för att studera reaktioner i luften som genererar eller tar bort föroreningar, eller till och med för att studera atmosfäriska förhållanden på avlägsna planeter.

"Stötrör är idealiska kemiska reaktorer, på grund av de nästan homogena nolldimensionella förhållandena bakom reflekterade stötvågor, " säger Farooq. Teamet lyser med lasrar genom stötröret för att övervaka kemin som äger rum. "Laserdiagnostik gör det möjligt för oss att göra in situ mätningar av kemiska arter som konsumeras och bildas under en kemisk reaktion, ", tillägger Farooq. "Vi kan spåra mycket reaktiva fria radikaler, som spelar en nyckelroll i förbränningskinetiken."

Två nya artiklar illustrerar bredden av information som kan erhållas. Farooq och hans team undersökte förbränningskemin hos cykliska ketoner, som kan tillverkas av växtavfall och har utmärkt förbränningsbeteende1. "Biomass-härledda cykliska ketoner lockar intresse på grund av deras goda knackningsegenskaper och deras effektivitet för att minska skadliga utsläpp, " säger Dapeng Liu, en Ph.D. elev i Farooqs team. Reaktioner med hydroxylradikaler är en av de viktigaste reaktionerna som initierar förbränning av cykliska ketoner, men dessa hade aldrig tidigare uppmätts experimentellt vid höga temperaturer.

"Jämfört med våra mätningar, forskare hade överskattat reaktiviteten av cykliska keton- och hydroxylreaktioner vid höga temperaturer, men de hade underskattat det för rumstemperaturförhållanden, " säger Liu. Dessa nya data kommer att förbättra modeller som används för att designa bränslen som innehåller cykliska ketoner.

Teamet studerade också hydroxylreaktioner med diolefiner, vanliga molekyler med två kol-kol dubbelbindningar2. Denna interaktion är betydelsefull för bränsleförbränning, men också för atmosfärisk kemi. "Isopren, en välkänd diolefin, produceras av djur och växter och finns i hög koncentration i skogsområden, säger Fethi Khaled, som nyligen avslutade sin Ph.D. med Farooq.

"Vårt arbete visade den rika kemin av hydroxylradikaler och diolefiner, " säger Khaled. Teamet avslöjade en tydlig förändring från reaktionsvägar, där hydroxylradikaler adderar till diolefiner vid atmosfäriska förhållanden till vägar där hydroxylradikaler plockar väteatomer från diolefiner när temperaturen ökar upp till förbränningsförhållanden.

Resultaten lägger till den växande databasen med reaktionshastighetskoefficienter som teamet har tillhandahållit, som används flitigt av kemiska kinetiska modellerare och teoretiker för att validera sina beräkningar, säger Farooq.

"I framtiden, vi kommer att fokusera på radikala plus radikala reaktioner, som är mycket mer utmanande att studera men spelar en avgörande roll i många kemiska miljöer, " säger han. "Vi designar ny laserdiagnostik för att detektera ett brett spektrum av molekyler så att vi kan måla en komplett bild av komplexa kemiska reaktioner, " tillägger Farooq. "Äntligen, vi utökar våra metoder för att studera reaktioner som är relevanta för atmosfärisk kemi och interstellära planeter."