Le mystère de longue date de la formation de suie, que les scientifiques de la combustion tentent d'expliquer depuis des décennies, semble enfin résolu, grâce aux recherches menées par Sandia National Laboratories.

La suie est omniprésente et a des effets néfastes importants sur la santé humaine, agriculture, efficacité énergétique, climat, et la qualité de l'air. Responsable de taux significativement accrus de maladies cardiovasculaires et pulmonaires et de décès associés, la suie contribue également à des millions de décès dans le monde chaque année, en grande partie de la cuisine et du chauffage intérieurs dans les pays en développement. Il entraîne des dizaines de milliers de décès aux États-Unis chaque année, principalement des émissions anthropiques dans l'atmosphère. Dans l'atmosphère, les émissions de suie sont appelées noir de carbone.

"En comprenant la formation de suie, nous avons de meilleures chances de pouvoir réduire ses émissions dangereuses des moteurs, feux de forêt, et cuisinières et contrôler sa production et ses caractéristiques au cours des processus industriels, " a déclaré le chercheur de Sandia Hope Michelsen, ajoutant que tout le monde sait ce qu'est la suie, mais personne n'a été en mesure d'expliquer comment les molécules de carburant gazeux deviennent des particules de suie.

Elle a dit que la formation de suie s'avère très différente du processus typique des molécules de gaz se condensant en une particule, au lieu, nécessitant des réactions chimiques rapides plutôt que de la condensation.

La solution peut également s'appliquer à d'autres conditions de température élevée, comme l'espace interstellaire, où de grandes quantités de particules de poussière de carbone sont formées, elle a dit.

Cet ouvrage novateur a été publié dans un Science papier magazine, "Les réactions en chaîne d'hydrocarbures stabilisées par résonance peuvent expliquer la formation et la croissance de la suie." Les auteurs incluent les chercheurs de Sandia Michelsen, Olof Johansson, et Paul Schrader; Kevin Wilson du Laboratoire national Lawrence Berkeley; et Martin Head-Gordon de l'Université de Californie, Berkeley, et Lawrence Berkeley National Lab.

Le travail a été financé par le Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du ministère de l'Énergie. « Le travail représente un énorme succès scientifique grâce à des années de soutien à des projets ciblés, un travail systématique sur le développement d'une compréhension fondamentale de la chimie des hydrocarbures à haute température, " a déclaré Michelsen.

Formation de suie examinée

La suie se forme lors de la combustion des hydrocarbures, comme l'huile, gaz naturel, et bois. Bien qu'il ait des effets néfastes sur la santé et l'environnement, la suie est extrêmement importante pour de nombreux processus industriels, telles que les performances de la chaudière, fabrication de verre, et génération de noir de carbone pour le renforcement des produits en caoutchouc et les pigments.

Malgré l'omniprésence et l'importance de la suie, la chimie de base expliquant pourquoi les molécules d'une flamme se collent à des températures élevées et forment des particules est restée un casse-tête scientifique jusqu'à présent, dit Michelsen.

Dans sa forme définitive, la suie est un solide très similaire au graphite, mais il est initialement formé d'hydrocarbures gazeux. Des preuves expérimentales indiquent qu'il passe d'un gaz à un liquide avant de devenir un solide. Les scientifiques tentent depuis des décennies d'expliquer cette transition. "La plupart des gens savent comment la phase gazeuse de l'eau - la vapeur d'eau - se condense en gouttelettes lorsqu'elle se refroidit. La refroidir davantage la transformera en glace, la phase solide de l'eau. La suie est différente, " a déclaré Michelsen.

Les particules de suie se forment lorsque les molécules gazeuses sont chauffées à des températures élevées, et ils ne se transforment pas facilement en molécules gazeuses comme le font les gouttelettes d'eau lorsqu'elles sont chauffées. Des liaisons chimiques fortes retiennent les particules de suie ensemble. "Faire de la suie ressemble plus à la cuisson d'un gâteau qu'à la condensation de l'eau. Chauffer la pâte à gâteau liquide à des températures élevées la transforme en une forme solide stable, " a expliqué Michelsen.

Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que des liaisons chimiques doivent être formées pour produire de la suie. Cependant, la formation de suie est rapide, et les chercheurs ne comprenaient pas comment les liaisons chimiques requises pouvaient se former si rapidement. Pour rendre le problème encore plus difficile, les chercheurs ne savaient même pas quelles molécules en phase gazeuse étaient impliquées dans la production de suie.

"C'est très difficile de faire des mesures dans une flamme, " dit Michelsen, "et, sans mesures des espèces moléculaires participantes, c'est comme essayer de comprendre comment un gâteau est fait sans connaître les ingrédients."

Espèces radicales de flammes étudiées

La clé de la formation de suie, il s'avère, est des radicaux stabilisés par résonance, dit Johansson. En général, les molécules qui sont des radicaux ont des électrons non appariés qu'elles veulent partager, ce qui les rend réactifs. Mais, contrairement à la plupart des radicaux, ces radicaux stabilisés par résonance ont des électrons non appariés qui participent à d'autres liaisons dans la molécule. Le partage de la densité électronique entre les électrons non appariés et les autres liaisons de la molécule rend ces radicaux plus stables que les autres radicaux, mais, néanmoins, ils sont plus réactifs que la plupart des autres grosses molécules qui forment la suie. Des mesures effectuées à la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley Lab ont montré une séquence de ces espèces radicalaires dans toutes les flammes étudiées. Michelsen a déclaré que d'autres chercheurs avaient vu ces radicaux et pensaient qu'ils pourraient être impliqués dans la formation de suie, mais il ne semblait pas y en avoir assez pour être le moteur principal.

"Nous avons compris que ces radicaux peuvent déclencher une réaction en chaîne, " a déclaré Michelsen.

Lorsque ces radicaux réagissent avec d'autres molécules, ils peuvent facilement former de nouveaux radicaux stabilisés par résonance. Dans le processus, ils réagissent avec d'autres hydrocarbures gazeux et continuent de croître, radicaux régénérants faisant partie de la particule en croissance.

Johansson a expliqué, "Nous avons effectué des calculs pour démontrer que ce processus devrait se dérouler rapidement."

"C'est vraiment très simple, eh bien ... une fois que vous connaissez la réponse, " Michelsen a dit. " Le mécanisme chimique est pertinent pour beaucoup de processus à haute température, y compris la formation de particules de poussière interstellaire, qui imprègne notre galaxie. Nous sommes très heureux d'avoir percé le mystère de la formation de suie, la création de particules de carbone qui accablent actuellement certaines régions du monde à la suite d'incendies de forêt et qui peuvent avoir un effet si dévastateur sur la santé humaine. »

Le professeur William Green du Massachusetts Institute of Technology a déclaré qu'il a longtemps été supposé que les voies impliquant des radicaux stabilisés par résonance pourraient être importantes dans la formation d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et de suie, car les réactions connues ne sont pas assez rapides pour expliquer la formation rapide de suie.

"En effet, quelques réactions spécifiques de radicaux stabilisés par résonance conduisant aux HAP sont connues, mais jusqu'à présent personne n'a présenté de mécanisme général convaincant étayé par des observations expérimentales, " Green a déclaré. " J'ai hâte d'intégrer ces voies de réaction nouvellement découvertes dans un mécanisme complet de formation de HAP, pour déterminer la gamme de conditions de réaction où ces voies nouvellement découvertes sont importantes. »