L'antico mistero della formazione della fuliggine, che gli scienziati della combustione hanno cercato di spiegare per decenni, sembra finalmente risolto, grazie alla ricerca condotta dai Laboratori Nazionali Sandia.

La fuliggine è onnipresente e ha grandi effetti dannosi sulla salute umana, agricoltura, efficienza energetica, clima, e la qualità dell'aria. Responsabile di tassi significativamente aumentati di malattie cardiovascolari e polmonari e decessi associati, la fuliggine contribuisce anche a milioni di morti in tutto il mondo ogni anno, in gran parte dalla cucina e dal riscaldamento interni nei paesi in via di sviluppo. Porta a decine di migliaia di morti negli Stati Uniti ogni anno, prevalentemente da emissioni antropiche in atmosfera. Nell'atmosfera le emissioni di fuliggine sono note come black carbon.

"Capendo la formazione di fuliggine, abbiamo maggiori possibilità di ridurre le sue pericolose emissioni dei motori, incendi boschivi, e cucine e controllarne la produzione e le caratteristiche durante i processi industriali, ", ha affermato la ricercatrice di Sandia Hope Michelsen, aggiungendo che tutti sanno cos'è la fuliggine, ma nessuno è stato in grado di spiegare come le molecole di combustibile gassoso diventino particelle di fuliggine.

Ha detto che la formazione di fuliggine risulta essere molto diversa dal tipico processo delle molecole di gas che si condensano in una particella, Invece, richiedono reazioni chimiche veloci piuttosto che condensa.

La soluzione può essere applicata anche ad altre condizioni di alta temperatura, come lo spazio interstellare, dove si formano grandi quantità di particelle di polvere di carbonio, lei disse.

Questo lavoro innovativo è stato pubblicato in a Scienza carta da riviste, "Le reazioni a catena di idrocarburi stabilizzate per risonanza possono spiegare l'inizio e la crescita della fuliggine". Gli autori includono i ricercatori di Sandia Michelsen, Olof Johansson, e Paul Schrader; Kevin Wilson del Lawrence Berkeley National Laboratory; e Martin Head-Gordon dell'Università della California, Berkeley, e Lawrence Berkeley National Lab.

Il lavoro è stato finanziato dall'Ufficio di Scienze Energetiche di Base del Dipartimento dell'Energia. "Il lavoro rappresenta un enorme successo scientifico come risultato di anni di supporto per focalizzati, lavoro sistematico sullo sviluppo di una comprensione fondamentale della chimica degli idrocarburi ad alta temperatura, ", ha detto Michelsen.

Formazione di fuliggine esaminata

La fuliggine si forma durante la combustione di combustibili idrocarburici, come l'olio, gas naturale, e legno. Sebbene abbia effetti dannosi sulla salute e sull'ambiente, la fuliggine è estremamente importante per molti processi industriali, come le prestazioni della caldaia, produzione di vetro, e generazione di nerofumo per rinforzi e pigmenti di prodotti in gomma.

Nonostante l'ubiquità e l'importanza della fuliggine, la chimica di base che spiega perché le molecole in una fiamma si uniscono ad alte temperature e formano particelle è rimasta un enigma scientifico fino ad ora, disse Michelsen.

Nella sua forma definitiva, la fuliggine è un solido molto simile alla grafite, ma inizialmente è formato da idrocarburi gassosi. L'evidenza sperimentale indica che passa da un gas a un liquido prima di diventare un solido. Gli scienziati hanno cercato per decenni di spiegare questa transizione. "La maggior parte delle persone ha familiarità con il modo in cui la fase gassosa dell'acqua, il vapore acqueo, si condensa in goccioline quando si raffredda. Raffreddandola ulteriormente si trasformerà in ghiaccio, la fase solida dell'acqua. La fuliggine è diversa, ", ha detto Michelsen.

Le particelle di fuliggine si formano quando le molecole gassose vengono riscaldate a temperature elevate, e non tornano facilmente alle molecole gassose come fanno le goccioline d'acqua quando vengono riscaldate. I forti legami chimici tengono insieme le particelle di fuliggine. "Fare la fuliggine è più come cuocere una torta che come condensare l'acqua. Il riscaldamento della pastella liquida per torte ad alte temperature lo trasforma in una forma solida stabile, " ha spiegato Michelsen.

Gli scienziati sospettano da tempo che per produrre fuliggine si debbano formare legami chimici. Però, la formazione di fuliggine è veloce, e i ricercatori non capivano come si potessero formare così rapidamente i legami chimici richiesti. Per rendere il problema ancora più difficile, i ricercatori non erano nemmeno sicuri di quali molecole in fase gassosa fossero coinvolte nella produzione di fuliggine.

"È molto difficile fare misurazioni in una fiamma, " ha detto Michelsen, "e, senza misurazioni delle specie molecolari partecipanti, è come cercare di capire come si fa una torta senza conoscerne gli ingredienti".

Specie radicali di fiamme studiate

La chiave per la formazione di fuliggine, si scopre, sono radicali stabilizzati per risonanza, disse Johansson. Generalmente, le molecole che sono radicali hanno elettroni spaiati che vogliono condividere, che li rende reattivi. Ma, a differenza della maggior parte dei radicali, questi radicali stabilizzati per risonanza hanno elettroni spaiati che partecipano ad altri legami nella molecola. La condivisione della densità elettronica tra gli elettroni spaiati e altri legami nella molecola rende questi radicali più stabili di altri radicali, ma, tuttavia, sono più reattivi della maggior parte delle altre grandi molecole che formano la fuliggine. Le misurazioni condotte presso l'Advanced Light Source del Lawrence Berkeley Lab hanno mostrato una sequenza di queste specie radicali in tutte le fiamme studiate. Michelsen ha detto che altri ricercatori avevano visto questi radicali e pensavano che potessero essere coinvolti nella formazione di fuliggine, ma non sembravano essere abbastanza per essere il driver principale.

"Abbiamo scoperto che questi radicali possono avviare una reazione a catena, ", ha detto Michelsen.

Quando questi radicali reagiscono con altre molecole, possono facilmente formare nuovi radicali stabilizzati per risonanza. Nel processo, reagiscono con altri idrocarburi gassosi e continuano a crescere, radicali rigeneranti come parte della particella in crescita.

Johansson ha spiegato, "Abbiamo eseguito calcoli per dimostrare che questo processo dovrebbe avvenire rapidamente".

"È davvero piuttosto semplice, beh... una volta che conosci la risposta, " ha detto Michelsen. "Il meccanismo chimico è rilevante per molti processi ad alta temperatura, compresa la formazione di particelle di polvere interstellare, che permeano la nostra galassia. Siamo molto entusiasti di aver svelato il mistero della formazione di fuliggine, la creazione di particelle di carbonio che stanno attualmente travolgendo alcune parti del mondo a causa degli incendi boschivi e che possono avere un effetto così devastante sulla salute umana".

Il professor William Green del Massachusetts Institute of Technology ha affermato che è stato a lungo ipotizzato che i percorsi che coinvolgono i radicali stabilizzati per risonanza potrebbero essere importanti nella formazione di idrocarburi policiclici aromatici (IPA) e fuliggine, poiché le reazioni note non sono abbastanza veloci da spiegare la rapida formazione di fuliggine.

"In effetti sono note alcune reazioni specifiche dei radicali stabilizzati per risonanza che portano alla PAH, ma fino ad ora nessuno ha presentato un convincente meccanismo generale supportato da osservazioni sperimentali, " Green ha detto. "Non vedo l'ora di incorporare questi percorsi di reazione appena scoperti in un meccanismo completo di formazione di PAH, per determinare la gamma di condizioni di reazione in cui questi percorsi appena scoperti sono importanti".