KAUST-forskare har föreslagit en ny mekanism som förklarar hur kolstrukturer i lågor och stjärnor kan gå samman för att bilda nanopartiklar. Kredit:KAUST; Hassan Tahini
Kolnanostrukturer som bildas i cirkumstellära höljen runt kolrika stjärnor kan ha ett gemensamt kemiskt ursprung med sotpartiklar som produceras genom bränsleförbränning. Samma reaktionsmekanism kan underbygga varje process, har KAUST-forskare visat. Den föreslagna mekanismen kan också leda till förbättrade metoder för tillverkning av kolnanomaterial.
Kolrik nanopartikelbildning - vare sig den är interstellär eller brännbar till sin natur - tros vara beroende av föreningar som kallas polycykliska aromatiska kolväten (PAH), som är besläktade med kluster av smälta bensenringar som hålls samman av delade kol-kol pi-bindningar. Flera mekanismer har föreslagits för att förklara hur PAH kan kombineras med andra kolmolekyler för att växa till sot och relaterade kolnanopartiklar.
"Alla dessa studier är dock otillräckliga för att förklara uppkomsten av "perikondenserade aromatiska kolväten" med endast pi-bindningar mellan kolatomer, som kan förekomma i stora mängder i lågor", säger Hanfeng Jin, postdoc i Aamir Farooqs laboratorier, som ledde forskningen. "Vi har föreslagit en ny mekanism som förklarar kärnbildningen av perikondenserade aromatiska kolväten."
Teamet visade att kärnbildning av perikondenserad aromatisk kolväte kunde förklaras av reaktioner mellan aromatiska arylmolekyler och fenylacetylen, via en mekanism för väteabstraktion av fenylacetylen (HAPaA). "Fenylacetylen bildas lätt och kan förekomma i stora mängder i lågor", förklarar Jin. Både bensen och acetylen, fenylacetylens prekursorer, är kända för att vara avgörande mellanprodukter inom astrokemi och förbränningskemi, tillägger han.
Forskarna använde kvantkemiska beräkningar för att visa att perikondenserade aromatiska kolväten kan växa genom tillsats av fenylacetylen till sicksack- och fåtöljformade strukturer runt arylmolekylens periferi. Det första steget av HAPaA-mekanismen har ingen energibarriär, så det är lika relevant för både lågtemperatur-interstellär kemi och för högtemperaturförbränning.
HAPaA-reaktionsintermediärer och produkter som förutspåtts av teorin bekräftades experimentellt med hjälp av toppmodern synkrotronvakuum ultraviolett fotojonisering molekylär strålmasspektrometri, säger Jin. HAPaA-mekanismen var också tillämpbar på större molekylära analoger av fenylacetylen, vilket möjliggjorde upprepade cykler av PAH-klustring mot kolhaltig nanopartikelbildning.
"Det fina med vår föreslagna mekanism, jämfört med de traditionella vägarna för PAH-bildning och tillväxt, är att den är universellt tillämplig", säger Farooq. "Denna mekanistiska förståelse skulle hjälpa oss att begränsa bildandet av sotpartiklar från förbränningssystem, till exempel genom att använda kemiska föreningar som undertrycker sicksack- och fåtöljperiferier, vilket ökar effektiviteten hos HAPaA-mekanismen", säger han. "På samma sätt kan vår föreslagna mekanism användas för att öka troheten hos modeller som används för att förutsäga utvecklingen av kol i interstellära medier."
Studien visas i Journal of the American Chemical Society . + Utforska vidare
