En gömd, nyupptäckt molekylär dans kan ge svaret på problemet med sotföroreningar.

Sotföroreningar orsakar cancer och blodproppar, samt försvagar immunförsvaret mot luftvägsvirus. Atmosfären och glaciärerna är också täckta av sot, leder till global uppvärmning och ökad isförlust. Förvånande, hur sotpartiklar bildas är fortfarande okänt, men är ett brådskande problem

Anledningen till detta långvariga mysterium beror på den extrema miljön där sot bildas, reaktionernas snabba hastighet och den komplexa samlingen av molekyler som finns i lågan. Alla dessa skymmer vägen till sotbildning.

Ett internationellt team från Storbritannien, Singapore, Schweiz och Italien har nu använt två mikroskop för att avslöja molekylerna och reaktionerna som äger rum i en låga. Det första mikroskopet fungerar genom beröring, känsla för arrangemanget av atomer i sotmolekylerna. Dessa taktila kartor ger den första bilden av sotens molekylära kycklingtrådsform. Kvantkemi användes sedan för att visa att en av molekylerna var en reaktiv diradikal. En diradikal är en typ av molekyl med två reaktiva platser, tillåta den att genomgå en rad kedjereaktioner.

Det andra mikroskopet är helt virtuellt och visar reaktionen mellan diradikalerna. Kvantmekaniken styrde en superdator att virtuellt och realistiskt kollidera molekylerna tillsammans och avslöja den molekylära dansen i slow motion.

Denna simulering visade att de enskilda molekylerna hålls samman av intermolekylära krafter efter att de kolliderar. Detta ger de reaktiva platserna tid att hitta varandra och skapa en permanent kemisk bindning. Även efter att de har bundits förblir de reaktiva, låta fler molekyler "fastna" till vad som nu är en snabbt växande sotpartikel.

Denna upptäckt skulle kunna lösa problemen med tidigare försök att förklara sotbildning via antingen en fysisk kondensation eller kemisk reaktion. Faktiskt, båda krävs för att adekvat förklara de snabba reaktionerna och reaktionerna vid hög temperatur.

En av tidningens huvudförfattare, Jacob Martin, sa, "Om koncentrationen av dessa arter är tillräckligt hög i lågor, denna väg kan ge en förklaring till den snabba bildningen av sot."

Medförfattare Markus Kraft, från University of Cambridges avdelning för kemiteknik och bioteknik, sa, "Projektet sammanförde banbrytande beräkningsmodeller och experiment för att avslöja en helt ny reaktionsväg som potentiellt förklarar hur sot bildas. Forskare och ingenjörer har arbetat med att lösa detta viktiga problem i decennier."

Forskarna hoppas kunna rikta in sig på dessa reaktiva platser för att se om sotbildningsprocessen kan stoppas i dess spår. Ett lovande alternativ är att injicera ozon i en låga, som redan har visat sig effektivt eliminera sot i vissa preliminära resultat i annat arbete.

"Diradikala aromatiska sotprekursorer i lågor" publiceras i Journal of the American Chemical Society .