Это открытие может помочь химикам в области горения создавать более эффективные и менее загрязняющие виды топлива и помочь материаловедам настроить свои углеродные нанотрубки и графеновые листы для более быстрой и компактной электроники. Кроме того, результаты могут иметь значение для развивающейся области астрохимии, потенциально устанавливая химический процесс того, как газовые потоки от звезд превращаются в углеродное вещество в космосе.«Когда вы сжигаете пламя, вы начинаете с газофазного реагента, а затем анализируете продукты, в том числе сажу, — говорит Мусахид Ахмед, ученый из отдела химических наук лаборатории Беркли. «Но нет прямых доказательств того, что химические связи разрываются и образуются в процессе».
Более 30 лет ученые разрабатывали вычислительные модели горения, чтобы объяснить, как молекулы газа образуют сажу, но теперь у Ахмеда и его коллег есть данные, подтверждающие, в частности, одну давнюю теорию. «Наша статья представляет собой первое прямое наблюдение этого процесса», — говорит он.По словам Ахмеда, хотя исследования относятся к ряду дисциплин — науке о горении, материаловедению и астрохимии, — именно наука о горении может увидеть самое прямое воздействие в ближайшее время. В частности, фундаментальное открытие в области химии может быть использовано для поиска или разработки топлива, которое горит чище и не производит столько сажи.Подумайте о двигателе вашего автомобиля.
Если бы процесс сгорания был идеальным, из выхлопной трубы выходили бы только углекислый газ и вода. Вместо этого мы видим пары и частицы, такие как сажа, видимую макромолекулу, состоящую из листов углерода.Теоретически существуют сотни различных способов объединения молекул для создания этих грязных выбросов. Но был один популярный класс механизмов, который описывает возможные ранние этапы создания и разрыва связи во время горения.
Он был разработан профессором машиностроения Майклом Френклахом в Калифорнийском университете в Беркли в 1991 году, получив название «отбор водорода — добавление ацетилена» или HACA.Одна из версий HACA работает следующим образом: во время горения в условиях высокой температуры и высокого давления простое кольцо из шести атомов углерода и шести атомов водорода, называемое бензолом, теряет один из своих атомов водорода, позволяя другой двухуглеродной молекуле, называемой ацетилен, чтобы прикрепить к кольцу, придав ему вид хвоста.
Тогда ацетиленовый хвост потеряет один из своих атомов водорода, так что другой ацетилен сможет присоединиться, удвоив количество атомов углерода в хвосте до четырех.Затем хвост будет закручиваться и прикрепляться к исходному кольцу, создавая двойную кольцевую структуру, называемую нафталином. Связь за связью, кольцо за кольцом, эти молекулы будут продолжать расти громоздко и скомкано, пока не станут макромолекулами, которые мы распознаем как сажу.
Чтобы проверить первый шаг теоретического механизма HACA, Ахмед и его сотрудники из Гавайского университета использовали пучок в Advanced Light Source (ALS) в лаборатории Беркли, специально оборудованный для изучения химической динамики. ALS, пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США, производит многочисленные фотоны в широком диапазоне энергий, что позволяет исследователям исследовать различные молекулы, образующиеся в этой химической реакции, с помощью специализированного масс-спектрометрического анализа.Уникально для этой экспериментальной установки команда Ахмеда использовала так называемое горячее сопло, которое воссоздает среду горения с точки зрения давления и температуры. Группа начала с газовой смеси нитрозобензола (бензольное кольцо с присоединенной молекулой азота и кислорода) и ацетилена и прокачивала ее через нагретую трубку при давлении около 300 торр и температуре около 750 градусов Цельсия.
Молекулы, вышедшие на другом конце, сразу же попали в масс-спектрометр, который использовал для анализа синхротронный свет.Исследователи обнаружили, что в результате этого процесса преимущественно образовались две молекулы. Более распространенным видом было углеродное кольцо с коротким ацетиленовым хвостом на нем, называемое фенилацетиленом. Но они также видели доказательства двойного кольца, нафталина.
Эти результаты, говорит Ахмед, фактически исключают один механизм HACA — что углеродное кольцо получит два отдельных хвоста, и эти хвосты будут связываться, образуя двойное кольцо, — и подтверждают самый популярный механизм HACA, когда длинный хвост закручивается, образуя нафталин.В местную команду Ахмеда входил Тайлер Трой, научный сотрудник лаборатории Беркли, и эта работа выполнялась с давним соавтором Ральфом Кайзером, профессором физической химии Гавайского университета в Маноа, и Дорианом Паркером, докторантом также на Гавайях. Исследование было опубликовано 20 июня в онлайн-журнале Angewandte Chemie.
«Следующим шагом после открытия пути к нафталину, простейшему полициклическому ароматическому углеводороду, будет раскрытие путей к более сложным системам», — говорит Кайзер.Дальнейшие эксперименты изучат эти механизмы отслеживания. «Это непростая задача, — объясняет Ахмед, — потому что молекулярные возможности быстро умножаются. Исследователи добавят в свой анализ инфракрасную спектроскопию, чтобы уловить множество молекул, которые образуются во время следующих фаз горения.
Это исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США и Национальным научным фондом.