Het al lang bestaande mysterie van roetvorming, die verbrandingswetenschappers al tientallen jaren proberen te verklaren, lijkt eindelijk opgelost dankzij onderzoek geleid door Sandia National Laboratories.

Roet is alomtegenwoordig en heeft grote schadelijke effecten op de menselijke gezondheid, landbouw, energieverbruik efficiëntie, klimaat, en luchtkwaliteit. Verantwoordelijk voor aanzienlijk verhoogde percentages van cardiovasculaire en longziekten en bijbehorende sterfgevallen, roet draagt ​​ook jaarlijks bij aan miljoenen doden wereldwijd, grotendeels afkomstig van binnenshuis koken en verwarmen in ontwikkelingslanden. Het leidt elk jaar tot tienduizenden doden in de VS, voornamelijk door antropogene emissies naar de atmosfeer. In de atmosferische emissies van roet staan ​​​​bekend als zwarte koolstof.

"Door roetvorming te begrijpen, hebben we een grotere kans om de gevaarlijke uitstoot van motoren te verminderen, bosbranden, en kookfornuizen en de productie en kenmerken ervan tijdens industriële processen controleren, " zei Sandia-onderzoeker Hope Michelsen, eraan toevoegend dat iedereen weet wat roet is, maar niemand heeft kunnen verklaren hoe gasvormige brandstofmoleculen roetdeeltjes worden.

Ze zei dat roetvorming heel anders blijkt te zijn dan het typische proces van gasmoleculen die condenseren tot een deeltje. in plaats daarvan, die snelle chemische reacties vereisen in plaats van condensatie.

De oplossing kan ook op andere voorwaarden op hoge temperatuur van toepassing zijn, zoals de interstellaire ruimte, waar grote hoeveelheden koolstofstofdeeltjes worden gevormd, ze zei.

Dit baanbrekende werk werd gepubliceerd in een Wetenschap tijdschrift papier, "Resonantie-gestabiliseerde koolwaterstofketenreacties kunnen het ontstaan ​​en de groei van roet verklaren." Auteurs zijn onder andere Sandia-onderzoekers Michelsen, Olof Johansson, en Paul Schrader; Kevin Wilson van het Lawrence Berkeley National Laboratory; en Martin Head-Gordon van de Universiteit van Californië, Berkeley, en Lawrence Berkeley National Lab.

Het werk werd gefinancierd door het Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences. "Het werk vertegenwoordigt een enorm wetenschappelijk succes als resultaat van jarenlange steun voor gerichte, systematisch werk aan de ontwikkeling van een fundamenteel begrip van de chemie van koolwaterstoffen bij hoge temperaturen, ’ zei Michelsen.

Roetvorming onderzocht

Bij de verbranding van koolwaterstofbrandstoffen wordt roet gevormd, zoals olie, natuurlijk gas, en hout. Hoewel het schadelijke gevolgen heeft voor de gezondheid en het milieu, roet is uiterst belangrijk voor veel industriële processen, zoals ketelprestaties, glas productie, en roetgeneratie voor versterking van rubberproducten en pigmenten.

Ondanks de alomtegenwoordigheid en het belang van roet, de basischemie die verklaart waarom de moleculen in een vlam bij hoge temperaturen aan elkaar plakken en deeltjes vormen, is tot nu toe een wetenschappelijke puzzel gebleven, zei Michelsen.

In zijn definitieve vorm, roet is een vaste stof die erg lijkt op grafiet, maar het wordt aanvankelijk gevormd uit gasvormige koolwaterstoffen. Experimenteel bewijs geeft aan dat het overgaat van een gas naar een vloeistof voordat het een vaste stof wordt. Wetenschappers proberen al tientallen jaren die overgang te verklaren. "De meeste mensen zijn bekend met hoe de gasfase van water - waterdamp - condenseert tot druppels wanneer het afkoelt. Als het verder wordt afgekoeld, wordt het ijs, de vaste fase van water. Roet is anders, ’ zei Michelsen.

Roetdeeltjes worden gevormd wanneer gasvormige moleculen worden verwarmd tot hoge temperaturen, en ze veranderen niet gemakkelijk terug in gasvormige moleculen zoals waterdruppels dat doen wanneer ze worden verwarmd. Sterke chemische bindingen houden roetdeeltjes bij elkaar. "Het maken van roet lijkt meer op het bakken van een cake dan op het condenseren van water. Door vloeibaar cakebeslag te verhitten tot hoge temperaturen wordt het een stabiele vaste vorm, ’ legde Michelsen uit.

Wetenschappers vermoeden al lang dat er chemische bindingen moeten worden gevormd om roet te maken. Echter, roetvorming is snel, en onderzoekers begrepen niet hoe de vereiste chemische bindingen zich zo snel konden vormen. Om het probleem nog moeilijker te maken, onderzoekers wisten niet eens zeker welke moleculen in de gasfase betrokken waren bij de productie van roet.

"Het is heel moeilijk om metingen te doen in een vlam, " zei Michelsen, "en, zonder metingen van de deelnemende moleculaire soorten, het is alsof je probeert uit te vinden hoe een cake wordt gemaakt zonder de ingrediënten te kennen."

Radicale soorten vlammen bestudeerd

De sleutel tot roetvorming, het blijkt, is resonantie-gestabiliseerde radicalen, zei Johansson. In het algemeen, moleculen die radicalen zijn, hebben ongepaarde elektronen die ze willen delen, waardoor ze reactief zijn. Maar, in tegenstelling tot de meeste radicalen, deze resonantie-gestabiliseerde radicalen hebben ongepaarde elektronen die deelnemen aan andere bindingen in het molecuul. Het delen van elektronendichtheid tussen de ongepaarde elektronen en andere bindingen in het molecuul maakt deze radicalen stabieler dan andere radicalen, maar, hoe dan ook, ze zijn reactiever dan de meeste andere grote moleculen die roet vormen. Metingen uitgevoerd bij de Advanced Light Source in het Lawrence Berkeley Lab toonden een opeenvolging van deze radicale soorten in alle bestudeerde vlammen. Michelsen zei dat andere onderzoekers deze radicalen hadden gezien en dachten dat ze betrokken zouden kunnen zijn bij roetvorming. maar er leken er niet genoeg te zijn om de belangrijkste drijfveer te zijn.

"We kwamen erachter dat deze radicalen een kettingreactie kunnen veroorzaken, ’ zei Michelsen.

Wanneer deze radicalen reageren met andere moleculen, ze kunnen gemakkelijk nieuwe resonantie-gestabiliseerde radicalen vormen. In het proces, ze reageren met andere gasvormige koolwaterstoffen en blijven groeien, regenererende radicalen als onderdeel van het groeiende deeltje.

Johansson legde uit, "We hebben berekeningen uitgevoerd om aan te tonen dat dit proces snel moet gebeuren."

"Het is eigenlijk heel simpel, nou ... als je het antwoord eenmaal weet, " zei Michelsen. "Het chemische mechanisme is relevant voor veel processen bij hoge temperaturen, inclusief de vorming van interstellaire stofdeeltjes, die onze melkweg doordringen. We zijn erg enthousiast dat we het mysterie van roetvorming hebben ontgrendeld, het ontstaan ​​van koolstofdeeltjes die momenteel sommige delen van de wereld overweldigen als gevolg van bosbranden en die zo'n verwoestend effect kunnen hebben op de menselijke gezondheid."

Professor William Green van het Massachusetts Institute of Technology zei dat er al lang wordt gespeculeerd dat routes met resonantie-gestabiliseerde radicalen belangrijk kunnen zijn bij polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK) en roetvorming. aangezien de bekende reacties niet snel genoeg zijn om de snelle vorming van roet te verklaren.

"Er zijn inderdaad enkele specifieke reacties bekend van resonant gestabiliseerde radicalen die leiden tot PAK, maar tot nu toe heeft niemand een overtuigend algemeen mechanisme gepresenteerd dat wordt ondersteund door experimentele waarnemingen, " Green zei. "Ik kijk ernaar uit om deze nieuw ontdekte reactieroutes op te nemen in een uitgebreid PAK-vormingsmechanisme, om het bereik van reactieomstandigheden te bepalen waar deze nieuw ontdekte routes belangrijk zijn."