O antigo mistério da formação de fuligem, que os cientistas da combustão vêm tentando explicar há décadas, parece estar finalmente resolvido, graças à pesquisa conduzida por Sandia National Laboratories.

A fuligem é onipresente e tem grandes efeitos prejudiciais à saúde humana, agricultura, eficiência no consumo de energia, clima, e qualidade do ar. Responsável por taxas significativamente aumentadas de doenças cardiovasculares e pulmonares e mortes associadas, a fuligem também contribui para milhões de mortes em todo o mundo anualmente, em grande parte, da cozinha e do aquecimento interno em países em desenvolvimento. Isso leva a dezenas de milhares de mortes nos EUA todos os anos, predominantemente de emissões antropogênicas para a atmosfera. Nas emissões atmosféricas de fuligem são conhecidas como carbono negro.

"Compreendendo a formação de fuligem, temos uma chance melhor de sermos capazes de reduzir as emissões perigosas dos motores, incêndios florestais, e fogões para cozinhar e controlar sua produção e características durante os processos industriais, "disse a pesquisadora da Sandia Hope Michelsen, acrescentando que todos sabem o que é fuligem, mas ninguém foi capaz de explicar como as moléculas de combustível gasoso se tornam partículas de fuligem.

Ela disse que a formação de fuligem é muito diferente do processo típico de condensação de moléculas de gás em uma partícula, em vez de, exigindo reações químicas rápidas em vez de condensação.

A solução também pode ser aplicada a outras condições de alta temperatura, como o espaço interestelar, onde grandes quantidades de partículas de pó de carbono são formadas, ela disse.

Este trabalho inovador foi publicado em um Ciência papel de revista, "Reações em cadeia de hidrocarbonetos estabilizadas por ressonância podem explicar o início e o crescimento da fuligem." Os autores incluem os pesquisadores da Sandia, Michelsen, Olof Johansson, e Paul Schrader; Kevin Wilson do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; e Martin Head-Gordon da Universidade da Califórnia, Berkeley, e Lawrence Berkeley National Lab.

O trabalho foi financiado pelo Escritório de Ciências Básicas da Energia do Departamento de Energia. “O trabalho representa um enorme sucesso científico como resultado de anos de apoio a focados, trabalho sistemático no desenvolvimento de uma compreensão fundamental da química de hidrocarbonetos de alta temperatura, "disse Michelsen.

Formação de fuligem examinada

A fuligem é formada durante a combustão de combustíveis de hidrocarbonetos, como óleo, gás natural, e madeira. Embora tenha efeitos prejudiciais à saúde e ao meio ambiente, a fuligem é extremamente importante para muitos processos industriais, como o desempenho da caldeira, produção de vidro, e geração de negro de fumo para reforço e pigmentos de produtos de borracha.

Apesar da onipresença e importância da fuligem, a química básica que explica por que as moléculas em uma chama se unem em altas temperaturas e formam partículas permaneceu um quebra-cabeça científico até agora, disse Michelsen.

Em sua forma final, a fuligem é um sólido muito semelhante ao grafite, mas é inicialmente formado por hidrocarbonetos gasosos. Evidências experimentais indicam que ele faz a transição de um gás para um líquido antes de se tornar um sólido. Os cientistas vêm tentando há décadas explicar essa transição. "A maioria das pessoas está familiarizada com a forma como a fase gasosa da água - o vapor de água - se condensa em gotículas quando esfria. Resfriá-la ainda mais irá transformá-la em gelo, a fase sólida da água. A fuligem é diferente, "disse Michelsen.

Partículas de fuligem são formadas quando as moléculas gasosas são aquecidas a altas temperaturas, e não se transformam facilmente em moléculas gasosas, como acontece com as gotículas de água quando são aquecidas. Fortes ligações químicas mantêm as partículas de fuligem unidas. "Fazer fuligem é mais parecido com assar um bolo do que condensar água. O aquecimento da massa líquida do bolo a altas temperaturas a transforma em uma forma sólida e estável, "explicou Michelsen.

Os cientistas há muito suspeitam que ligações químicas devem ser formadas para produzir fuligem. Contudo, a formação de fuligem é rápida, e os pesquisadores não entendiam como as ligações químicas necessárias podiam se formar tão rapidamente. Para tornar o problema ainda mais difícil, os pesquisadores nem tinham certeza de quais moléculas de fase gasosa estavam envolvidas na produção de fuligem.

"É muito difícil fazer medições em uma chama, "disse Michelsen, "e, sem medições das espécies moleculares participantes, é como tentar descobrir como um bolo é feito sem saber os ingredientes. "

Espécies radicais de chamas estudadas

A chave para a formação de fuligem, acontece que, são radicais estabilizados por ressonância, disse Johansson. Em geral, moléculas que são radicais têm elétrons desemparelhados que desejam compartilhar, o que os torna reativos. Mas, ao contrário da maioria dos radicais, esses radicais estabilizados por ressonância têm elétrons desemparelhados que participam de outras ligações na molécula. Compartilhar a densidade de elétrons entre os elétrons desemparelhados e outras ligações na molécula torna esses radicais mais estáveis ​​do que outros radicais, mas, no entanto, eles são mais reativos do que a maioria das outras grandes moléculas que formam a fuligem. Medições conduzidas na Fonte de Luz Avançada no Laboratório Lawrence Berkeley mostraram uma sequência dessas espécies radicais em todas as chamas estudadas. Michelsen disse que outros pesquisadores viram esses radicais e pensaram que eles podem estar envolvidos na formação de fuligem, mas não parecia haver um número suficiente deles para ser o principal motivador.

"Descobrimos que esses radicais podem iniciar uma reação em cadeia, "disse Michelsen.

Quando esses radicais reagem com outras moléculas, eles podem facilmente formar novos radicais estabilizados por ressonância. No processo, eles reagem com outros hidrocarbonetos gasosos e continuam crescendo, regenerando radicais como parte da partícula em crescimento.

Johansson explicou, "Fizemos cálculos para demonstrar que esse processo deve acontecer rapidamente."

"É muito simples, bem ... depois de saber a resposta, "Michelsen disse." O mecanismo químico é relevante para muitos processos de alta temperatura, incluindo a formação de partículas de poeira interestelar, que permeiam nossa galáxia. Estamos muito entusiasmados por ter desvendado o mistério da formação de fuligem, a criação de partículas de carbono que estão atualmente dominando algumas partes do mundo como resultado de incêndios florestais e que podem ter um efeito devastador sobre a saúde humana ”.

O professor William Green do Massachusetts Institute of Technology disse que há muito se especula que as vias que envolvem radicais ressonantemente estabilizados podem ser importantes na formação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH) e de fuligem, uma vez que as reações conhecidas não são rápidas o suficiente para explicar a rápida formação de fuligem.

"Na verdade, algumas reações específicas de radicais ressonantemente estabilizados que levam a HAP são conhecidas, mas até agora ninguém apresentou um mecanismo geral convincente apoiado por observações experimentais, "Disse Green." Estou ansioso para incorporar essas vias de reação recém-descobertas em um mecanismo abrangente de formação de PAH, para determinar a gama de condições de reação em que essas vias recém-descobertas são importantes. "