Nella maggior parte delle situazioni, rompere le cose non è il modo migliore per risolvere un problema. Però, a volte è vero il contrario se stai cercando di caratterizzare composti chimici complessi. Questo è ciò che hanno fatto gli scienziati dei Sandia National Laboratories Nils Hansen e Scott Skeen per identificare definitivamente i precursori di fuliggine che causano inquinamento in una fiamma.

I ricercatori hanno scoperto idrocarburi policiclici aromatici (IPA) con catene laterali alifatiche, che sono stati ipotizzati per servire come "semi" per le particelle di fuliggine nelle emissioni del motore.

"È stato ipotizzato il ruolo di queste molecole come precursori della fuliggine, ed esistono evidenze sperimentali indirette della loro presenza sulla superficie di fuliggine estratta dalle fiamme, " disse Skeen. "Finora, però, nessuno aveva prove sperimentali definitive della loro esistenza come componenti stabili nella fiamma."

I composti recentemente riconosciuti possono essere utilizzati per creare modelli di combustione più dettagliati che, a sua volta, può aiutare nella progettazione di pulitori, motori più efficienti che emettono meno fuliggine e meno idrocarburi nocivi nell'atmosfera.

Lavorando con l'ex ricercatore postdottorato di Sandia Brian Adamson e Musa Ahmed del Lawrence Berkeley National Laboratory, Hansen e Skeen hanno pubblicato la scoperta nel Journal of Physical Chemistry A . Il finanziamento per la ricerca è venuto dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia, mentre Ahmed è supportato dall'Ufficio di Scienze Energetiche di Base del Dipartimento dell'Energia.

Il team ha utilizzato una tecnica analitica chiamata spettrometria di massa tandem, utilizzando uno strumento fornito da Lawrence Berkeley Lab e personalizzato da Adamson, per rilevare idrocarburi policiclici aromatici in fase gassosa con catene laterali alifatiche in fiamme che producono fuliggine, qualcosa di mai fatto prima.

Il dispositivo rimuove un elettrone da caricare, o ionizzare, grandi molecole campionate dalla fiamma, misura le masse delle molecole, quindi le identifica ulteriormente caratterizzando il modo in cui le molecole ionizzate si spezzano.

L'ultima scoperta si basa sulla precedente ricerca di Sandia

Il recente lavoro della scienziata di Sandia Hope Michelsen, Il tecnologo Paul Schrader e l'ex ricercatore postdottorato Olof Johansson hanno aperto la strada identificando processi di reazione chimica a catena in cui gli idrocarburi potrebbero formare fuliggine. Quel lavoro ha aumentato la sfida di rilevare e caratterizzare i composti che partecipano a questi processi.

Un'area di dibattito è se i sottoprodotti chimici nella fuliggine siano idrocarburi policiclici aromatici, costituito esclusivamente da gruppi di atomi a forma di anello, o contenere extra, strutture non cicliche chiamate alchile, o alifatico, gruppi. Queste catene di idrocarburi possono rendere più stabili alle alte temperature di combustione i legami tra gli idrocarburi policiclici aromatici, maggiore di 3, 600 gradi Fahrenheit.

"Senza il componente tandem di questo nuovo spettrometro di massa, si ottiene la massa di ogni molecola ma non viene rivelata alcuna informazione sulla sua struttura. Vedi qualcosa alla messa 78, a massa 128, e così via, ma non sai quali molecole sono rappresentate. Usa solo la tua intuizione chimica, "Ha detto Hansen. "Pensa a uno spettrometro di massa come a uno strumento che seleziona un contenitore pieno di noci miste in base al peso di ogni singola noce, ma alla fine ancora non sai se hai smistato le noccioline, nocciole o noci».

Lo spettrometro di massa tandem personalizzato utilizzato dal team rende più facile caratterizzare la struttura di grandi molecole rompendole attraverso collisioni ad alta energia in una cella di dissociazione indotta da collisioni.

"La spettrometria di massa normale può dirti quanti atomi di ciascun elemento sono presenti in una molecola, ma non ti dirà nulla su come quegli atomi sono uniti insieme, " Ha detto Adamson. "La spettrometria di massa tandem con la dissociazione indotta dalla collisione isola le molecole di una singola massa e poi le separa. Il modo in cui si rompono fornisce indizi sulla struttura della molecola madre".

Il team ha trovato prove dirette dell'esistenza di idrocarburi policiclici aromatici e IPA con catene alchiliche a ponte alifatico nei gas campionati della fiamma che forma la fuliggine. Tali specie possono essere sufficientemente stabili alle alte temperature di combustione da servire come componenti chiave nella formazione incipiente di particelle di fuliggine.

Il team ha anche utilizzato una speciale configurazione della fiamma per ridurre al minimo le interruzioni della chimica della fiamma causate dal processo di campionamento. Skeen ha affermato che l'installazione prevedeva il campionamento e l'esame di grandi molecole da una fiamma invertita simile a una candela.

"In una candela, la cera risale lo stoppino e poi vaporizza prima di bruciare nell'aria circostante. La fiamma appare gialla perché le particelle di fuliggine diventano molto calde mentre si muovono attraverso la fiamma, " ha detto Skeen. "In questa configurazione, è impossibile campionare particelle o molecole di fuliggine che portano alla formazione di fuliggine senza disturbare la fiamma perché è necessario inserire una sonda attraverso il foglio di fiamma.

"Per superare questo problema, abbiamo generato una fiamma in cui l'aria è al centro della fiamma con il combustibile all'esterno, " ha detto. "In questo modo, possiamo sondare i gas di interesse dall'esterno di questa fiamma "inversa". Questa è forse la prima volta che una tale fiamma è stata attaccata a uno spettrometro di massa tandem".

La fuliggine deve essere filtrata per motori più puliti

La ricerca di precursori della fuliggine è motivata dalla necessità di motori più puliti che funzionino ancora in modo efficiente. In determinate condizioni di guida, le emissioni diesel superano le normative governative. Ciò ha portato all'uso di filtri antiparticolato che catturano efficacemente le particelle di fuliggine dagli scarichi diesel, ma rendono i veicoli significativamente più costosi e meno efficienti. I motori che producono meno fuliggine avrebbero bisogno di filtri antiparticolato più piccoli, riducendo i costi e aumentando il risparmio di carburante.

I produttori di motori in genere utilizzano simulazioni al computer per migliorare i progetti dei motori. Modellano l'iniezione di carburante, processi di combustione e formazione di inquinanti. Skeen ha affermato che una migliore comprensione di come vengono prodotti i composti di fuliggine, in particolare l'identificazione definitiva degli idrocarburi policiclici aromatici con catene alchiliche attaccate, dovrebbe portare a modelli che descrivono in modo più accurato gli effetti dei parametri di progettazione del motore su emissioni ed efficienza.

"Se riusciamo a capire la chimica, possiamo sviluppare un modello che consentirà ai progettisti di motori di ottimizzare gli iniettori di carburante, flussi d'aria e la forma delle superfici interne del motore, tra l'altro, che manterranno questi composti fuori dall'atmosfera, " ha detto Skeen.

Passi futuri per sviluppare nuovi modelli per la formazione di fuliggine

Questa scoperta di idrocarburi policiclici aromatici alchil-sostituiti e ponti alifaticamente in fiamme di fuliggine è solo il punto di partenza per utilizzare la spettrometria di massa tandem per decifrare la complessa chimica delle emissioni inquinanti, ha detto la squadra.

Utilizzando questa tecnica, potrebbero essere identificati migliaia di diversi tipi di composti. Anche per i più elementari idrocarburi policiclici aromatici, ci sono un centinaio di modi diversi in cui gli atomi possono unirsi. Vedere tutte le diverse disposizioni rappresenta una sfida formidabile. Ahmed continuerà il suo lavoro con gli scienziati di Sandia e prevede di introdurre la spettroscopia a infrarossi per un'identificazione meno ambigua degli IPA alchil-sostituiti e alifatici nella fuliggine.

Gli scienziati di Sandia sperano di collaborare con i data scientist per sviluppare soluzioni più efficienti, modelli realistici di formazione di fuliggine del motore, in ultima analisi, portando a progetti per più pulito, motori più efficienti.