Na maioria das situações, separar as coisas não é a melhor maneira de resolver um problema. Contudo, às vezes, o oposto é verdadeiro se você está tentando caracterizar compostos químicos complexos. Isso é o que os cientistas do Sandia National Laboratories Nils Hansen e Scott Skeen fizeram para identificar definitivamente os precursores de fuligem causadores de poluição em uma chama.

Os pesquisadores descobriram hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs) com cadeias laterais alifáticas, que foram hipotetizados para servir como "sementes" para partículas de fuligem nas emissões do motor.

"O papel dessas moléculas como precursores de fuligem foi hipotetizado, e há evidência experimental indireta de sua presença na superfície de fuligem extraída das chamas, "disse Skeen." Até agora, Contudo, ninguém tinha prova experimental definitiva de sua existência como componentes estáveis ​​na chama. "

Os compostos recém-reconhecidos podem ser usados ​​para criar modelos mais detalhados de combustão que, por sua vez, pode ajudar no design do limpador, motores mais eficientes que emitem menos fuligem e menos hidrocarbonetos prejudiciais para a atmosfera.

Trabalhando com o ex-pesquisador de pós-doutorado da Sandia Brian Adamson e Musa Ahmed do Lawrence Berkeley National Laboratory, Hansen e Skeen publicaram a descoberta no Journal of Physical Chemistry A . O financiamento para a pesquisa veio do programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório de Sandia, enquanto Ahmed é apoiado pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia.

A equipe usou uma técnica analítica chamada espectrometria de massa em tandem - usando um instrumento fornecido por Lawrence Berkeley Lab e personalizado por Adamson - para detectar hidrocarbonetos aromáticos policíclicos em fase gasosa com cadeias laterais alifáticas em chamas que produzem fuligem, algo nunca feito antes.

O dispositivo remove um elétron para carregar, ou ionizar, grandes moléculas retiradas da chama, mede as massas das moléculas e depois as identifica, caracterizando como as moléculas ionizadas se partem.

A última descoberta baseia-se em pesquisas anteriores da Sandia

Trabalho recente da cientista da Sandia Hope Michelsen, o tecnólogo Paul Schrader e o ex-pesquisador de pós-doutorado Olof Johansson foram pioneiros ao identificar processos de reação em cadeia química onde os hidrocarbonetos podem formar fuligem. Esse trabalho aumentou o desafio de detectar e caracterizar os compostos que participam desses processos.

Uma área de debate é se os subprodutos químicos na fuligem são hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, feito exclusivamente de grupos de átomos em forma de anel, ou conter extra, estruturas não cíclicas chamadas alquil, ou alifático, grupos. Essas cadeias de hidrocarbonetos podem tornar as ligações entre os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos mais estáveis ​​em altas temperaturas de combustão, maior que 3, 600 graus Fahrenheit.

"Sem o componente tandem deste novo espectrômetro de massa, a massa de cada molécula é obtida, mas nenhuma informação sobre sua estrutura é revelada. Você vê algo na massa 78, na massa 128, e assim por diante, mas você não sabe quais moléculas são representadas. Você acabou de usar sua intuição química, "Hansen disse." Pense em um espectrômetro de massa como um instrumento que classifica um recipiente cheio de castanhas misturadas com base no peso de cada castanha individual, mas no final você ainda não sabe se classificou os amendoins, avelãs ou nozes. "

O espectrômetro de massa em tandem personalizado que a equipe usou torna mais fácil caracterizar a estrutura de grandes moléculas, separando-as por meio de colisões de alta energia em uma célula de dissociação induzida por colisão.

"A espectrometria de massa normal pode dizer quantos átomos de cada elemento estão presentes em uma molécula, mas não vai te dizer nada sobre como esses átomos estão unidos, "Adamson disse." A espectrometria de massa em conjunto com a dissociação induzida por colisão isola as moléculas de uma única massa e as separa. A maneira como eles se separam fornece pistas sobre a estrutura da molécula-mãe. "

A equipe encontrou evidências diretas de que hidrocarbonetos aromáticos policíclicos com ponte alifática e PAHs com cadeias de alquil existem nas amostras de gases da chama formadora de fuligem. Essas espécies podem ser suficientemente estáveis ​​em altas temperaturas de combustão para servir como componentes-chave na formação incipiente de partículas de fuligem.

A equipe também usou uma configuração de chama especial para minimizar interrupções na química da chama causadas pelo processo de amostragem. Skeen disse que a configuração envolveu a amostragem e o exame de grandes moléculas de uma chama semelhante a uma vela invertida.

"Em uma vela, a cera sobe pelo pavio e então vaporiza antes de queimar no ar circundante. A chama parece amarela porque as partículas de fuligem ficam muito quentes à medida que se movem através da chama, "Skeen disse." Nesta configuração, é impossível amostrar partículas de fuligem ou moléculas que levam à formação de fuligem sem perturbar a chama porque uma sonda deve ser inserida através do lençol de chama.

“Para superar este problema, geramos uma chama em que o ar está no centro da chama com o combustível do lado de fora, "disse ele." Por aqui, podemos sondar os gases de interesse do lado de fora dessa chama "inversa". Esta é talvez a primeira vez que tal chama foi ligada a um espectrômetro de massa em tandem. "

A fuligem precisa ser filtrada para motores mais limpos

A busca por precursores de fuligem é motivada pela necessidade de motores mais limpos que ainda funcionem com eficiência. Sob certas condições de direção, as emissões de diesel excedem as regulamentações governamentais. Isso levou ao uso de filtros de partículas que capturam com eficácia as partículas de fuligem do escapamento de diesel, mas eles tornam os veículos significativamente mais caros e menos eficientes. Os motores que produzem menos fuligem precisam de filtros de partículas menores, reduzindo custos e aumentando a economia de combustível.

Os fabricantes de motores geralmente usam simulações de computador para melhorar os projetos dos motores. Eles modelam a injeção de combustível, processos de combustão e formação de poluentes. Skeen disse que uma melhor compreensão de como os compostos de fuligem são produzidos - especificamente a identificação definitiva de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos com cadeias de alquil anexadas - deve levar a modelos que descrevam com mais precisão os efeitos dos parâmetros do projeto do motor sobre as emissões e eficiência.

"Se pudermos entender a química, podemos desenvolver um modelo que permitirá que os projetistas de motores otimizem os injetores de combustível, fluxos de ar e a forma das superfícies internas do motor, entre outras coisas, que manterá esses compostos fora da atmosfera, "Skeen disse.

Passos futuros para desenvolver novos modelos para formação de fuligem

Esta descoberta de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos com pontes alifáticas e substituídos por alquil em chamas de fuligem é apenas o ponto de partida para o uso de espectrometria de massa em tandem para decifrar a química complexa das emissões poluentes, a equipe disse.

Usando esta técnica, milhares de diferentes tipos de compostos podem ser potencialmente identificados. Mesmo para os hidrocarbonetos aromáticos policíclicos mais básicos, existem cerca de cem maneiras diferentes de os átomos se unirem. Ver todos os diferentes arranjos representa um desafio formidável. Ahmed continuará seu trabalho com os cientistas Sandia e planeja introduzir a espectroscopia infravermelha para identificação menos ambígua de PAHs substituídos por alquil e com ponte alifática na fuligem.

Os cientistas do Sandia esperam colaborar com cientistas de dados para desenvolver de forma mais eficiente, modelos realistas de formação de fuligem do motor, em última análise, levando a designs para produtos mais limpos, motores mais eficientes.