Ученые смоделировали процессы образования сажи

Сжигание углеводородного топлива остается одним из основных источников энергии для человечества. При неполном сгорании (из-за недостатка кислорода) образуются наноразмерные частицы аморфного углерода — сажа. Они очень малы, а потому легко проникают в легкие и могут быть потенциально опасны для здоровья. Не смотря на большое количество исследований, процесс образования сажи до сих пор полностью не раскрыт. Понимание того, как именно он происходит, какие есть сценарии и продукты с какими свойствами могут образоваться, важно для разработки подходов к наиболее эффективному сжиганию топлива и снижению выбросов в окружающую среду.

Экспериментальное изучение образования сажи — задача нетривиальная: химические процессы в пламени протекают очень быстро. Поэтому экспериментаторы прибегают к косвенным методам анализа: облучают область, в которой происходит образование сажи, интенсивным наносекундным лазерным пучком и проверяют, распались частицы или нет. Это так называемый метод лазерно-индуцированной инкандесценции, и многие знания о формировании сажи получены именно благодаря ему. Но, чтобы правильно интерпретировать достигнутые в подобном эксперименте результаты, надо знать, каков механизм распада частиц под действием лазера. Традиционно считалось, что для сажи он ничем не отличается от аналогичного для графита: по мере нагрева твердой фазы от нее отрываются молекулы С3–С5 и улетают в атмосферу. В лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ провели моделирование на основе классической молекулярной динамики. Ученые исследовали атомистическую структуру сажи и проанализировали возможные продукты ее термического разложения.

Результаты показали, что сажевые частицы могут распадаться по разным сценариям в зависимости от степени ковалентных сшивок внутри них — грубо говоря, она определяет, как много связей каждый атом углерода имеет со своими соседями (не все из атомов образуют максимально возможное количество связей). Так, частицы с меньшей степенью сшивки распадаются на более крупные фрагменты при температуре порядка 2500 К. Более сшитые частицы возгоняются ступенчато. Сначала при таких же температурах от них тоже отделяются крупные фрагменты, однако затем с ними при 3000–4000 К происходит нечто вроде отжига, повышающего их термостабильность. Тогда возгонка частиц возобновляется при температурах свыше 4000 К, и при этом начинают отделяться совсем мелкие фрагменты. 

Полученные результаты объясняют, почему экспериментально измеренные температуры возгонки сажи охватывают удивительно широкий диапазон от 2500 до почти 4500 К. Также они позволят уточнить имеющиеся модели сажеобразования; однако необходимо учитывать, что при сгорании разного сырья процессы могут отличаться.