El antiguo misterio de la formación de hollín, que los científicos de la combustión han estado tratando de explicar durante décadas, parece estar finalmente resuelto, gracias a la investigación liderada por Sandia National Laboratories.

El hollín es omnipresente y tiene grandes efectos perjudiciales para la salud humana. agricultura, eficiencia del consumo de energía, clima, y calidad del aire. Responsable de tasas significativamente mayores de enfermedades cardiovasculares y pulmonares y muertes asociadas, El hollín también contribuye a millones de muertes anualmente en todo el mundo. en gran parte de la cocina y la calefacción en interiores en los países en desarrollo. Conduce a decenas de miles de muertes en los EE. UU. Cada año, predominantemente de emisiones antropogénicas a la atmósfera. En la atmósfera, las emisiones de hollín se conocen como carbón negro.

"Al comprender la formación de hollín, tenemos más posibilidades de poder reducir las peligrosas emisiones de los motores, incendios forestales, y cocinas y controlar su producción y características durante los procesos industriales, "dijo la investigadora de Sandia, Hope Michelsen, agregando que todos saben lo que es el hollín, pero nadie ha podido explicar cómo las moléculas de combustible gaseoso se convierten en partículas de hollín.

Ella dijo que la formación de hollín resulta ser muy diferente del proceso típico de condensación de moléculas de gas en una partícula. en lugar de, requiriendo reacciones químicas rápidas en lugar de condensación.

La solución también se puede aplicar a otras condiciones de alta temperatura, como el espacio interestelar, donde se forman grandes cantidades de partículas de polvo de carbono, ella dijo.

Este trabajo pionero fue publicado en un Ciencias papel de revista, "Las reacciones en cadena de hidrocarburos estabilizadas por resonancia pueden explicar el inicio y el crecimiento del hollín". Los autores incluyen a los investigadores de Sandia Michelsen, Olof Johansson, y Paul Schrader; Kevin Wilson del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; y Martin Head-Gordon de la Universidad de California, Berkeley, y Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía. "El trabajo representa un enorme éxito científico como resultado de años de apoyo a trabajo sistemático en el desarrollo de una comprensión fundamental de la química de los hidrocarburos a alta temperatura, "dijo Michelsen.

Se examinó la formación de hollín

El hollín se forma durante la combustión de combustibles de hidrocarburos, como el aceite, gas natural, y madera. Aunque tiene efectos perjudiciales para la salud y el medio ambiente, el hollín es extremadamente importante para muchos procesos industriales, como el rendimiento de la caldera, producción de vidrio, y generación de negro de humo para el refuerzo de productos de caucho y pigmentos.

A pesar de la ubicuidad y la importancia del hollín, La química básica que explica por qué las moléculas en una llama se pegan juntas a altas temperaturas y forman partículas ha sido un enigma científico hasta ahora. dijo Michelsen.

En su forma final, el hollín es un sólido muy similar al grafito, pero inicialmente se forma a partir de hidrocarburos gaseosos. La evidencia experimental indica que pasa de un gas a un líquido antes de convertirse en sólido. Los científicos llevan décadas intentando explicar esa transición. "La mayoría de la gente está familiarizada con cómo la fase gaseosa del agua (vapor de agua) se condensa en gotas cuando se enfría. Si se enfría más, se convertirá en hielo, la fase sólida del agua. El hollín es diferente "dijo Michelsen.

Las partículas de hollín se forman cuando las moléculas gaseosas se calientan a altas temperaturas, y no se convierten fácilmente en moléculas gaseosas como lo hacen las gotas de agua cuando se calientan. Los fuertes enlaces químicos mantienen unidas las partículas de hollín. "Hacer hollín se parece más a hornear una torta que a condensar agua. Calentar la masa líquida de la torta a altas temperaturas la convierte en una forma sólida estable, "explicó Michelsen.

Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que se deben formar enlaces químicos para producir hollín. Sin embargo, la formación de hollín es rápida, y los investigadores no entendieron cómo los enlaces químicos requeridos podían formarse tan rápidamente. Para complicar aún más el problema, los investigadores ni siquiera estaban seguros de qué moléculas en fase gaseosa estaban involucradas en la producción de hollín.

"Es muy difícil hacer mediciones en una llama, "dijo Michelsen, "y, sin mediciones de las especies moleculares participantes, es como intentar averiguar cómo se hace un pastel sin conocer los ingredientes ".

Especies radicales de llamas estudiadas

La clave para la formación de hollín, resulta, son radicales estabilizados por resonancia, dijo Johansson. En general, las moléculas que son radicales tienen electrones desapareados que quieren compartir, lo que los hace reactivos. Pero, a diferencia de la mayoría de los radicales, estos radicales estabilizados por resonancia tienen electrones desapareados que participan en otros enlaces de la molécula. Compartir la densidad de electrones entre los electrones no apareados y otros enlaces en la molécula hace que estos radicales sean más estables que otros radicales. pero, sin embargo, son más reactivos que la mayoría de las otras moléculas grandes que forman el hollín. Las mediciones realizadas en la fuente de luz avanzada en el laboratorio Lawrence Berkeley mostraron una secuencia de estas especies radicales en todas las llamas estudiadas. Michelsen dijo que otros investigadores habían visto estos radicales y pensaron que podrían estar involucrados en la formación de hollín. pero no parecía haber suficientes para ser el conductor principal.

"Descubrimos que estos radicales pueden iniciar una reacción en cadena, "dijo Michelsen.

Cuando estos radicales reaccionan con otras moléculas, pueden formar fácilmente nuevos radicales estabilizados por resonancia. En el proceso, reaccionan con otros hidrocarburos gaseosos y siguen creciendo, regeneración de radicales como parte de la partícula en crecimiento.

Johansson explicó, "Realizamos cálculos para demostrar que este proceso debería ocurrir rápidamente".

"Es realmente bastante simple, bueno ... una vez que sepas la respuesta, "Dijo Michelsen." El mecanismo químico es relevante para muchos procesos de alta temperatura, incluyendo la formación de partículas de polvo interestelar, que impregnan nuestra galaxia. Estamos muy emocionados de haber descubierto el misterio de la formación de hollín. la creación de partículas de carbono que actualmente abruman algunas partes del mundo como resultado de los incendios forestales y que pueden tener un efecto tan devastador en la salud humana ".

El profesor del Instituto de Tecnología de Massachusetts, William Green, dijo que durante mucho tiempo se ha especulado que las vías que involucran radicales estabilizados resonantemente podrían ser importantes en la formación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y hollín. ya que las reacciones conocidas no son lo suficientemente rápidas para explicar la rápida formación de hollín.

"De hecho, se conocen algunas reacciones específicas de radicales estabilizados por resonancia que conducen a HAP, pero hasta ahora nadie ha presentado un mecanismo general convincente apoyado por observaciones experimentales, "Dijo Green." Espero incorporar estas vías de reacción recién descubiertas en un mecanismo integral de formación de PAH, para determinar el rango de condiciones de reacción donde estas vías recién descubiertas son importantes ".