几十年来一直试图解释的煤烟形成之谜，似乎终于得到了解决

由于桑迪亚国家实验室的研究，科学家们几十年来一直试图解释的煤烟形成之谜似乎终于得到了解决。

煤烟无处不在，对人类健康、农业、能源消耗效率、气候和空气质量都有很大的不利影响。煤烟导致心血管和肺部疾病发病率显著上升，并导致相关死亡，每年全球有数百万人死于煤烟，主要来自发展中国家的室内烹饪和供暖。它每年导致美国成千上万人死亡，主要是由于人为排放到大气中。在大气中排放的烟尘称为黑炭。

“通过理解积灰,我们有更好的机会能够减少危险排放发动机、森林火灾、灶具和控制其生产在工业过程和特点,“桑迪亚研究员希望Michelsen说,补充说,每个人都知道什么是烟尘,但是没有人能够解释气体燃料分子成为煤烟颗粒。她说，烟尘的形成与典型的气体分子凝聚成颗粒的过程非常不同，相反，需要快速的化学反应而不是冷凝。她说，这种解决方案还可以应用于其他高温条件，比如星际空间，那里形成了大量的碳尘埃粒子。

这项突破性的工作发表在《科学》杂志的一篇论文上，“共振稳定的碳氢化合物链反应可以解释烟尘的产生和生长。”作者包括Sandia的研究人员Michelsen, Olof Johansson和Paul Schrader;来自劳伦斯伯克利国家实验室的凯文威尔逊;加州大学伯克利分校的Martin Head-Gordon和劳伦斯伯克利国家实验室。这项工作由能源部基础能源科学办公室资助。迈克尔森说:“这项工作代表了巨大的科学成功，因为多年来，科学家们一直致力于对高温碳氢化合物化学的基础认识进行有针对性的系统研究。”

烟尘的形成研究。煤烟是石油、天然气和木材等碳氢化合物燃料燃烧时形成的。虽然煤烟有害健康和环境，但它对许多工业过程极为重要，如锅炉性能、玻璃生产、橡胶制品增强剂和颜料的炭黑生成。米歇尔森说，尽管煤烟无处不在，而且很重要，但解释为什么火焰中的分子在高温下粘在一起形成粒子的基本化学原理直到现在仍然是一个科学难题。

烟灰的最终形态与石墨非常相似，但它最初是由气态碳氢化合物构成的。实验证据表明，它在变成固体之前从气体转变为液体。几十年来，科学家们一直试图解释这种转变。“大多数人都知道水的气相——水蒸气——冷却后凝结成水滴。进一步冷却会把它变成冰，水的固相。煤烟就不同了。

煤烟颗粒是在气体分子被加热到高温时形成的，它们不像水滴被加热时那样容易变成气体分子。强化学键使煤烟颗粒结合在一起。“制造煤烟更像是烤蛋糕，而不是冷凝水。”将液体蛋糕面糊加热到高温，使其变成稳定的固体形式。

科学家们长期以来一直怀疑必须形成化学键才能产生烟尘。然而，煤烟的形成速度很快，研究人员也不明白为什么需要的化学键能如此之快地形成。为了使问题更加困难，研究人员甚至不确定哪些气相分子参与了烟尘的产生。“在火焰中进行测量是非常困难的，”Michelsen说，“如果不测量参与实验的分子种类，就像是在不知道原料的情况下试图弄清楚蛋糕是如何制作的。”

对火焰的根系进行了研究。约翰逊说，烟灰形成的关键是共振稳定的自由基。一般来说，自由基分子有未配对的电子它们想要共享，这使得它们具有活性。但是，不像大多数自由基，这些共振稳定的自由基有未配对的电子参与分子中的其他键。在未配对的电子和分子中的其他键之间共享电子密度使这些自由基比其他自由基更稳定，但是，它们比大多数形成煤烟的大分子更活跃。在劳伦斯伯克利实验室的高级光源处进行的测量显示，在所有被研究的火焰中都有这些激进物种的序列。迈克尔森说，其他研究人员已经发现了这些自由基，并认为它们可能与煤烟的形成有关，但似乎还没有足够的自由基成为主要的驱动因素。

“我们发现这些自由基会引发连锁反应，”Michelsen说。当这些自由基与其他分子发生反应时，它们很容易形成新的共振稳定的自由基。在这个过程中，它们与其他气态碳氢化合物发生反应，并继续生长，使自由基作为生长粒子的一部分再生。约翰松解释说:“我们进行了计算，证明这个过程应该很快发生。”“真的很简单，嗯……”一旦你知道了答案，”迈克尔森说。“这种化学机制与许多高温过程有关，包括星际尘埃颗粒的形成，这些颗粒渗透到我们的星系中。我们很高兴揭开了煤烟形成的神秘面纱，碳颗粒的产生是目前世界上一些地区森林火灾的主要原因，这可能对人类健康造成毁灭性的影响。

麻省理工学院的威廉格林教授说，长期以来人们一直推测，涉及共振稳定自由基的途径可能对多环芳烃(PAH)和煤烟的形成很重要，因为已知的反应速度不足以解释煤烟的迅速形成。格林说:“事实上，导致多环芳烃的共振稳定自由基的一些特定反应是已知的，但是到目前为止，还没有人提出一种有实验观察支持的令人信服的一般机制。”“我期待将这些新发现的反应途径纳入一个全面的多环芳烃形成机制，以确定这些新发现的途径重要的反应条件范围。”