幾十年來一直試圖解釋的煤煙形成之謎，似乎終於得到了解決

幾十年來一直試圖解釋的煤煙形成之謎，似乎終於得到了解決

由於桑迪亞國家實驗室的研究，科學家們幾十年來一直試圖解釋的煤煙形成之謎似乎終於得到了解決。

煤煙無處不在，對人類健康、農業、能源消耗效率、氣候和空氣質量都有很大的不利影響。煤煙導致心血管和肺部疾病發病率顯著上升，並導致相關死亡，每年全球有數百萬人死於煤煙，主要來自發展中國家的室內烹飪和供暖。它每年導致美國成千上萬人死亡，主要是由於人為排放到大氣中。在大氣中排放的煙塵稱為黑炭。

「通過理解積灰,我們有更好的機會能夠減少危險排放發動機、森林火災、灶具和控制其生產在工業過程和特點,「桑迪亞研究員希望Michelsen說,補充說,每個人都知道什麼是煙塵,但是沒有人能夠解釋氣體燃料分子成為煤煙顆粒。她說，煙塵的形成與典型的氣體分子凝聚成顆粒的過程非常不同，相反，需要快速的化學反應而不是冷凝。她說，這種解決方案還可以應用於其他高溫條件，比如星際空間，那裡形成了大量的碳塵埃粒子。

這項突破性的工作發表在《科學》雜誌的一篇論文上，「共振穩定的碳氫化合物鏈反應可以解釋煙塵的產生和生長。」作者包括Sandia的研究人員Michelsen, Olof Johansson和Paul Schrader;來自勞倫斯伯克利國家實驗室的凱文威爾遜;加州大學伯克利分校的Martin Head-Gordon和勞倫斯伯克利國家實驗室。這項工作由能源部基礎能源科學辦公室資助。邁克爾森說:「這項工作代表了巨大的科學成功，因為多年來，科學家們一直致力於對高溫碳氫化合物化學的基礎認識進行有針對性的系統研究。」

煙塵的形成研究。煤煙是石油、天然氣和木材等碳氫化合物燃料燃燒時形成的。雖然煤煙有害健康和環境，但它對許多工業過程極為重要，如鍋爐性能、玻璃生產、橡膠製品增強劑和顏料的炭黑生成。米歇爾森說，儘管煤煙無處不在，而且很重要，但解釋為什麼火焰中的分子在高溫下粘在一起形成粒子的基本化學原理直到現在仍然是一個科學難題。

煙灰的最終形態與石墨非常相似，但它最初是由氣態碳氫化合物構成的。實驗證據表明，它在變成固體之前從氣體轉變為液體。幾十年來，科學家們一直試圖解釋這種轉變。「大多數人都知道水的氣相——水蒸氣——冷卻後凝結成水滴。進一步冷卻會把它變成冰，水的固相。煤煙就不同了。

煤煙顆粒是在氣體分子被加熱到高溫時形成的，它們不像水滴被加熱時那樣容易變成氣體分子。強化學鍵使煤煙顆粒結合在一起。「製造煤煙更像是烤蛋糕，而不是冷凝水。」將液體蛋糕麵糊加熱到高溫，使其變成穩定的固體形式。

科學家們長期以來一直懷疑必須形成化學鍵才能產生煙塵。然而，煤煙的形成速度很快，研究人員也不明白為什麼需要的化學鍵能如此之快地形成。為了使問題更加困難，研究人員甚至不確定哪些氣相分子參與了煙塵的產生。「在火焰中進行測量是非常困難的，」Michelsen說，「如果不測量參與實驗的分子種類，就像是在不知道原料的情況下試圖弄清楚蛋糕是如何製作的。」

對火焰的根系進行了研究。約翰遜說，煙灰形成的關鍵是共振穩定的自由基。一般來說，自由基分子有未配對的電子它們想要共享，這使得它們具有活性。但是，不像大多數自由基，這些共振穩定的自由基有未配對的電子參與分子中的其他鍵。在未配對的電子和分子中的其他鍵之間共享電子密度使這些自由基比其他自由基更穩定，但是，它們比大多數形成煤煙的大分子更活躍。在勞倫斯伯克利實驗室的高級光源處進行的測量顯示，在所有被研究的火焰中都有這些激進物種的序列。邁克爾森說，其他研究人員已經發現了這些自由基，並認為它們可能與煤煙的形成有關，但似乎還沒有足夠的自由基成為主要的驅動因素。

「我們發現這些自由基會引發連鎖反應，」Michelsen說。當這些自由基與其他分子發生反應時，它們很容易形成新的共振穩定的自由基。在這個過程中，它們與其他氣態碳氫化合物發生反應，並繼續生長，使自由基作為生長粒子的一部分再生。約翰松解釋說:「我們進行了計算，證明這個過程應該很快發生。」「真的很簡單，嗯……」一旦你知道了答案，」邁克爾森說。「這種化學機制與許多高溫過程有關，包括星際塵埃顆粒的形成，這些顆粒滲透到我們的星系中。我們很高興揭開了煤煙形成的神秘面紗，碳顆粒的產生是目前世界上一些地區森林火災的主要原因，這可能對人類健康造成毀滅性的影響。

麻省理工學院的威廉格林教授說，長期以來人們一直推測，涉及共振穩定自由基的途徑可能對多環芳烴(PAH)和煤煙的形成很重要，因為已知的反應速度不足以解釋煤煙的迅速形成。格林說:「事實上，導致多環芳烴的共振穩定自由基的一些特定反應是已知的，但是到目前為止，還沒有人提出一種有實驗觀察支持的令人信服的一般機制。」「我期待將這些新發現的反應途徑納入一個全面的多環芳烴形成機制，以確定這些新發現的途徑重要的反應條件範圍。」

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