פיצוח הקוד כדי היווצרות פיח - מדענים לפתוח תעלומה כדי לסייע בהפחתת פליטות מסוכנים

The mind behind Linux | Linus Torvalds (יוני 2019).

Anonim

המסתורין המתמשך של היווצרות פיח, אשר מדעני בעירה מנסים להסביר במשך עשרות שנים, נראה סוף סוף נפתרה, בזכות מחקר בראשות המעבדות הלאומית Sandia.

הפח נמצא בכל מקום ויש לו השפעות מזיקות גדולות על בריאות האדם, החקלאות, יעילות צריכת האנרגיה, האקלים ואיכות האוויר. אחראי על שיעורי מוגברת משמעותית של מחלות לב וכלי דם ריאתי הקשורים מקרי מוות, פיח גם תורם מיליוני מקרי מוות ברחבי העולם מדי שנה, בעיקר מן הבישול החימום הפנימי במדינות מתפתחות. היא מובילה לעשרות אלפי מקרי מוות בארה"ב מדי שנה, בעיקר מפליטות אנתרופוגניות לאוויר. ב אטמוספרי פליטות של פיח ידועים כמו פחמן שחור.

"על ידי הבנת היווצרות פיח, יש לנו סיכוי טוב יותר להיות מסוגלים להפחית את הפליטות המסוכנות שלה ממנועים, שריפות יער, תנורי בישול ולשלוט הייצור שלה המאפיינים במהלך תהליכים תעשייתיים", אמר Sandia החוקר הופ מישלסן, והוסיף כי כולם יודעים מה פיח הוא, אבל אף אחד לא היה מסוגל להסביר כיצד דלק גזי דלק מולקולות להפוך פיח.

היא אמרה כי היווצרות פיח מתבררת כשונה מאוד מהתהליך האופייני של מולקולות גז המתעבות לתוך חלקיק, במקום זאת, הדורשות תגובות כימיות מהירות במקום עיבוי.

הפתרון גם יכול לחול על תנאי טמפרטורה גבוהה אחרים, כגון חלל בין כוכבי, שבו כמויות גדולות של חלקיקים אבק פחמן נוצרות, היא אמרה.

עבודה פורצת דרך זו פורסמה בעיתון "מגזין מדע ", "תגובת שרשרת פחמימנים מיוצבת על ידי תהודה עשויה להסביר פיח וצמיחה". המחברים כוללים חוקרים Sandia מישלסן, אולוף יוהנסון, פול Schrader; קווין וילסון מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי; ומרטין הד-גורדון מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי והמעבדה הלאומית לורנס ברקלי.

העבודה מומנה על ידי משרד האנרגיה של משרד האנרגיה הבסיסית למדעי. "העבודה מייצגת הצלחה מדעית עצומה כתוצאה משנים של תמיכה בעבודה ממוקדת ושיטתית על פיתוח הבנה בסיסית של כימיית פחמימנים בטמפרטורה גבוהה", אמר מישלסן.

היווצרות פיח נבדקה

פיח נוצר במהלך הבעירה של דלקים פחמימנים, כגון נפט, גז טבעי, ועץ. למרות זאת יש השפעות בריאותיות וסביבתיות מזיקות, פיח חשוב ביותר לתהליכים תעשייתיים רבים, כגון ביצועי הדוד, ייצור זכוכית, ואת הדור פחמן שחור עבור חיזוק המוצר גומי פיגמנטים.

למרות נוכחותו וחשיבותו של הפיח, הכימיה הבסיסית המסבירה מדוע המולקולות בלהבות להיצמד יחד בטמפרטורות גבוהות וחלקיקי חלקיקים נותרה חידה מדעית עד כה, אמר מישלסן.

בצורתו הסופית, פיח הוא מוצק מאוד דומה גרפיט, אבל זה נוצר בתחילה מן פחמימנים גזיים. עדויות ניסוייות מעידות על כך שהוא עובר מגז לנוזל לפני שהוא הופך למוצק. מדענים מנסים זה עשרות שנים להסביר את המעבר הזה. "רוב האנשים מכירים כיצד שלב הגז של אדי מים-מים מתעבה לתוך טיפות כאשר הוא מתקרר, קירור זה עוד יהפוך אותו לקרח, את השלב המוצק של המים, פיח הוא שונה", אמר מישלסן.

חלקיקי פיח נוצרים כאשר המולקולות הגזיות מחוממות לטמפרטורות גבוהות, והן אינן פונות בקלות למולקולות גזיות כמו טיפות המים כאשר הן מחוממות. קשרים כימיים חזקים מחזיקים יחד חלקיקי פיח. "הפיכת הפיח דומה יותר לאפיית עוגה מאשר כמו עיבוי מים, חימום עוגת נוזלים נוזלית לטמפרטורות גבוהות הופכת אותה לצורה יציבה ויציבה", הסביר מישלסן.

מדענים חשדו זה מכבר כי יש ליצור קשרים כימיים כדי ליצור פיח. עם זאת, היווצרות פיח הוא מהיר, וחוקרים לא הבינו איך הקשר הכימי הנדרש יכול ליצור כל כך מהר. כדי להפוך את הבעיה עוד יותר קשה, החוקרים לא היו בטוחים אפילו אילו מולקולות שלב גז היו מעורבים בהפקת פיח.

"קשה מאוד לערוך מדידות בלהבה", אומר מישלסן, "ובלי מדידה של המינים המולקולריים המשתתפים, זה כמו לנסות להבין איך עושים עוגה בלי לדעת את החומרים".

המינים הקיצוניים של הלהבות נחקרו

המפתח להיווצרות פיח, מתברר, הוא רדיקלים של יציבות התהודה, אמר ג'והנסון. באופן כללי, מולקולות שהן רדיקלים יש אלקטרונים unaired שהם רוצים לחלוק, מה שהופך אותם תגובתי. אולם, בניגוד לרוב הרדיקלים, לרדיקלים אלה, בעלי רזוננסיות, יש אלקטרונים לא מזוהים המשתתפים בקשרים אחרים במולקולה. שיתוף צפיפות האלקטרונים בין האלקטרונים הלא מזויפים ואג"ח אחרות במולקולה הופך את הרדיקלים ליציבים יציבים יותר מרדיקלים אחרים, אך עם זאת, הם יותר תגובתיים מאשר רוב המולקולות הגדולות האחרות היוצרות פיח. מדידות שנערכו במקור האור המתקדמת במעבדה של לורנס ברקלי הראו רצף של מינים קיצוניים אלה בכל הלהבות שנחקרו. מישלסן אמר כי חוקרים אחרים ראו את הרדיקלים הללו וחשבו שהם עשויים להיות מעורבים בהיווצרות פיח, אבל לא נראה שיש בהם מספיק כדי להיות הנהג העיקרי.

"הבנו כי רדיקלים אלה יכולים להתחיל תגובת שרשרת", אמר מישלסן.

כאשר רדיקלים אלה מגיבים עם מולקולות אחרות, הם יכולים בקלות ליצור רדיקלים חדשים מייצבים תהודה. בתהליך זה, הם מגיבים עם פחמימנים גזיים אחרים לשמור על גידול, מחדש רדיקלים כחלק החלקיקים הגוברת.

יוהנסון הסביר, "ביצענו חישובים כדי להוכיח כי תהליך זה צריך לקרות מהר."

"זה באמת די פשוט, טוב … ברגע שאתה יודע את התשובה, " אמר מישלסן. "המנגנון הכימי רלוונטי להרבה תהליכי טמפרטורה גבוהה, כולל היווצרות של חלקיקי אבק בין כוכביים, שחודרים לגלקסיה שלנו, ואנו שמחים מאוד על שפתחנו את המסתורין של היווצרות פיח, יצירת חלקיקי פחמן הנמצאים כיום המכריע חלקים מסוימים של העולם כתוצאה של שריפות יער וזה יכול להיות כזה השפעה הרסנית על בריאות האדם. "

המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, פרופ 'וויליאם גרין, אמר כי מזה זמן רב משערים כי מסלולים של רדיקלים מיוצבים על ידי רסוננטלי עשויים להיות חשובים בפחמימנים ארומטיים רב-חומציים (PAH) ובהיווצרות פיח, מאחר שהתגובות הידועות אינן מהירות מספיק כדי להסביר את התהוות המהירה של הפיח.

"אכן, ידועות כמה תגובות ספציפיות של רדיקלים מיוצבים על ידי רסוננטלי המוליכים ל- PAH, אך עד כה אף אחד לא הציג מנגנון כללי משכנע הנתמך על ידי תצפיות ניסוייות", אמר גרין. "אני מצפה לשלב את מסלולי התגובה החדשים שהתגלו במנגנון גיבוש מקיף של PAH, כדי לקבוע את טווח תנאי התגובה שבהם המסלולים החדשים שהתגלו חשובים".

menu
menu