Sot är en av världens värsta bidragsgivare till klimatförändringarna. Dess påverkan liknar globala metanutsläpp och är näst efter koldioxid i sin destruktiva potential. Detta beror på att sotpartiklar absorberar solstrålning, som värmer upp den omgivande atmosfären, vilket resulterar i varmare globala temperaturer. Sot orsakar också flera andra miljö- och hälsoproblem, inklusive att göra oss mer mottagliga för luftvägsvirus.

Sot finns bara kvar i atmosfären i några veckor, vilket tyder på att om dessa utsläpp kunde stoppas så skulle luften snabbt kunna rensa. Detta har nyligen demonstrerats under de senaste nedstängningarna, med några större städer som rapporterar klar himmel efter att industriutsläppen upphört.

Men sot är också en del av vår framtid. Sot kan omvandlas till den användbara kimröksprodukten genom termisk behandling för att avlägsna eventuella skadliga komponenter. Kolsvart är kritiska ingredienser i batterier, däck och färg. Om dessa kol görs tillräckligt små kan de till och med fås att fluorescera och har använts för att märka biologiska molekyler, i katalysatorer och till och med i solceller.

Med tanke på vikten av sot och hur länge mänskligheten har producerat det, skulle man tro att dess bildande var helt förstått. Så är dock inte fallet. I synnerhet är den kritiska övergången när molekylerna samlas för att bilda de allra första nanopartiklarna av sot okänd.

Om sotets ursprung helt skulle förstås skulle vi potentiellt kunna eliminera dess bildning och därför drastiskt minska dess miljöpåverkan samt göra bättre kolmaterial. Med detta i åtanke har forskare från University of Cambridge och Cambridge CARES nyligen publicerat en omfattande recension om sotets födelse – där molekyler blir partiklar.

I recensionen, med titeln:"Soot inception:Carbonaceous nanoparticle formation in flames" publicerad i Progress in Energy and Combustion Science, börjar författarna Dr. Jacob Martin, Dr. Maurin Salamanca och CARES Director Professor Markus Kraft med att notera att;

"Det har dock bara varit under det senaste decenniet som experimentella och beräkningstekniker inom förbränningsvetenskap har kunnat kika bakom dörren för att avslöja insikter i de tidigaste mekanismerna för bildning av kolhaltiga partiklar i lågan."

Figuren nedan visar några av dessa nya experimentella insikter längs vägen från bränsle till sot. I detta diagram är det nanopartikelbildning (sotbegynnande) som är sotpartikelns födelse.

Två huvudvägar har föreslagits för uppkomst av sot - antingen fysisk kondensering där molekyler bildar droppar eller kemisk polymerisation där molekyler reagerar för att bilda partiklar. Men båda vägarna i sig är inte optimala, eftersom "fysisk och elektrisk kondensation av prekursormolekyler är snabb men för svag för att hålla samman sot, medan de flesta kemiska bindningar är starka men de mekanismer som föreslagits hittills är för långsamma för att ta hänsyn till snabb tillväxt av sot som observerats i experiment."

Istället föreslår författarna en "mellanväg" som involverar mekanismer med både fysiska och kemiska aspekter. Lovande alternativ lyfts fram som involverar π-radikaler och diradikaler, men avgörande bevis för en specifik mekanism såväl som prediktiva modeller saknas fortfarande.

I slutändan drar författarna slutsatsen att "utsläppen av kolhaltiga nanopartiklar måste vara en forsknings- och industriell prioritet för framtiden för förbränningsanordningar och nya materialapplikationer."

"Soot inception:Carbonaceous nanoparticle formation in flames" publiceras i Progress in Energy and Combustion Science av forskare från Cambridge Center for Advanced Research and Education i Singapore Ltd och University of Cambridge. + Utforska vidare

Molekylär dans som kan eliminera sotföroreningar