Открытие могло помочь химикам сгорания сделать более – эффективное, меньше загрязняющее топливо и помочь материаловедам точно настроить свои углеродные нанотрубки и графеновые листы для более быстрой, меньшей электроники. Кроме того, результаты могли иметь последствия для растущей области астрохимии, потенциально устанавливая химический процесс для того, как газообразные оттоки от звезд превращаются в основанный на углероде вопрос в космосе.«Когда Вы жжете пламя, Вы начинаете с реагента газовой фазы и затем анализируете продукты, которые включают сажу», говорит Музэхид Ахмед, ученый в Химическом Научном Подразделении в Berkeley Lab. «Но нет никакого прямого доказательства для химических связей, которые ломаются и формируются в процессе». Больше 30 лет ученые разработали вычислительные модели сгорания, чтобы объяснить, как газовые молекулы формируют сажу, но теперь у Ахмеда и его коллег есть данные, чтобы подтвердить одну давнюю теорию в частности. «Наша работа представляет первое непосредственное наблюдение этого процесса», говорит он.
В то время как исследование относится ко многим дисциплинам – наука сгорания, материаловедение и астрохимия – это – наука сгорания, которая видела наиболее прямое воздействие как можно скорее, говорит Ахмед. Определенно, фундаментальное открытие химии могло использоваться, чтобы найти или проектировать топливо, которое жжет уборщика и не производит такого же количества сажи.Думайте о своем автомобильном двигателе. Если бы процесс сгорания был прекрасен, то только углекислый газ и вода вышли бы из выхлопной трубы.
Вместо этого мы видим пары и макрочастицы как сажа, видимая макромолекула, составленная из листов углерода.Теоретически, есть сотни различных способов, которыми молекулы могут объединиться, чтобы создать эту грязную эмиссию.
Но был один популярный класс механизмов, который обрисовывает в общих чертах возможные ранние шаги для создания связи и связи, ломающейся во время сгорания. Названное водородное дополнение ацетилена абстракции или HACA, это было развито преподавателем Майкла Френклака машиностроения в Калифорнийском университете Беркли в 1991.Одна версия HACA работает как это: во время высокотемпературной, среды с высоким давлением сгорания простое кольцо шести углерода и шести водородных атомов, названных бензолом, потеряло бы один из своих водородных атомов, позволив другую молекулу с двумя углеродом, названную ацетиленом, чтобы быть свойственным кольцу, дав ему своего рода хвост. Тогда хвост ацетилена потерял бы один из своих водородных атомов, таким образом, другой ацетилен мог соединиться в, удвоив атомы углерода в хвосте к четыре.
Затем, хвост вился бы вокруг и свойственен оригинальному кольцу, создав структуру двойного кольца, названную нафталином. Связь связью, кольцо кольцом, эти молекулы продолжили бы расти громоздким, раздавленным способом, пока они не стали макромолекулами, которые мы признаем сажей.Чтобы проверить первый шаг теоретического механизма HACA, Ахмед и сотрудники из Гавайского университета использовали beamline в Advanced Light Source (ALS) в Berkeley Lab, определенно снабженной оборудованием, чтобы изучить химическую динамику. АЛЬС, Офис САМКИ Научного пользовательского средства, производит многочисленные фотоны по широкому спектру энергий, позволяя исследователям исследовать множество молекул, произведенных в этой химической реакции со специализированным анализом масс-спектрометрии.
Уникальный для этой экспериментальной установки, команда Ахмеда использовала так называемый горячий носик, который воссоздает окружающую среду сгорания с точки зрения давления и температуры. Группа начала с газообразного соединения nitrosobenzene (бензольное кольцо с молекулой азота и приложенного кислорода) и ацетилен, и накачала его через горячую трубу при давлении приблизительно 300 торров и температуре приблизительно 750 градусов Цельсия. Молекулы, которые вышли другой конец, немедленно просмотрели в массовый спектрометр, который использовал свет синхротрона для анализа.
Исследователи нашли, что две молекулы преимущественно появились из процесса. Более богатый вид был углеродным кольцом с коротким хвостом ацетилена на нем, названный фенилацетиленом. Но они также видели доказательства двойного кольца, нафталина.
Эти результаты, говорит Ахмед, эффективно исключите один механизм HACA – что углеродное кольцо получило бы два отдельных хвоста, и те хвосты сцепятся, чтобы сформировать двойное кольцо – и подтвердить самый популярный механизм HACA, где длинный хвост вьется вокруг, чтобы сформировать нафталин.Местная команда Ахмеда включала Тайлера Троя, постдокторанта в Berkeley Lab, и эта работа была выполнена с долгосрочным сотрудником Ральфом Кэйсером, преподавателем физической химии в Гавайском университете в Маноа, и Дориане Паркере, постдокторанте также в Гавайях.
Исследование было издано 20 июня онлайн в журнале Angewandte Chemie.«Установив маршрут к нафталину, самому простому полициклическому ароматическому углеводороду, следующий шаг должен будет распутать пути к более сложным системам», говорит Кайзер.
Дальнейшие эксперименты исследуют эти последующие механизмы. Это – хитрый подвиг, объясняет Ахмед, потому что молекулярные возможности быстро умножаются. Исследователи добавят инфракрасную спектроскопию к своему анализу, чтобы поймать множество молекул, которые формируются во время этих следующих фаз сгорания.
Это исследование финансировалось Офисом САМКИ Науки и Национального научного фонда.