Wat zit er in een vlam? Het verrassende mysterie van hoe roet ontstaat

Roet is een van ’s werelds grootste veroorzakers van klimaatverandering. De impact ervan is vergelijkbaar met de wereldwijde methaanemissies en is de tweede alleen voor koolstofdioxide in zijn destructieve potentieel. Dit komt omdat roetdeeltjes zonnestraling absorberen, die de omringende atmosfeer verwarmt, wat resulteert in warmere mondiale temperaturen. Roet veroorzaakt ook verschillende andere milieu- en gezondheidsproblemen, waaronder het vatbaarder maken voor ademhalingsvirussen.

Roet blijft slechts een paar weken in de atmosfeer aanwezig, wat suggereert dat als deze emissies zouden kunnen worden gestopt, de lucht snel zou kunnen opklaren. Dit is onlangs aangetoond tijdens recente afsluitingen, waarbij sommige grote steden een heldere hemel meldden nadat de industriële emissies waren gestopt.

Maar roet maakt ook deel uit van onze toekomst. Roet kan worden omgezet in het bruikbare carbonblack-product door thermische behandeling om eventuele schadelijke componenten te verwijderen. Carbon blacks zijn essentiële ingrediënten in batterijen, banden en verf. Als deze koolstoffen klein genoeg worden gemaakt, kunnen ze zelfs fluoresceren en zijn ze gebruikt voor het labelen van biologische moleculen, in katalysatoren en zelfs in zonnecellen.

Gezien het belang van roet en hoe lang de mensheid het al produceert, zou je denken dat de vorming ervan volledig werd begrepen. Dit is echter niet het geval. Vooral de kritische overgang wanneer de moleculen clusteren om de allereerste nanodeeltjes van roet te vormen, is onbekend.

Als de oorsprong van roet volledig zou worden begrepen, zouden we de vorming ervan kunnen elimineren en daarom de milieu-impact drastisch kunnen verminderen en betere koolstofmaterialen kunnen maken. Met dit in gedachten hebben onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en Cambridge CARES hebben onlangs een uitgebreide recensie gepubliceerd over de geboorte van roet – waar moleculen deeltjes worden.

In de recensie, getiteld: “Roetbegin: vorming van koolstofhoudende nanodeeltjes in vlammen” gepubliceerd in Vooruitgang in energie- en verbrandingswetenschap, De auteurs Dr. Jacob Martin, Dr. Maurin Salamanca en CARES-directeur Professor Markus Kraft beginnen met op te merken dat;

“Het is echter pas in het laatste decennium dat experimentele en computationele technieken in de verbrandingswetenschap achter de deur hebben kunnen gluren om inzicht te krijgen in de vroegste vormingsmechanismen van koolstofhoudende deeltjes in de vlam.”

Onderstaande figuur toont enkele van deze nieuwe experimentele inzichten langs het pad van brandstof naar roet. In dit diagram is de vorming van nanodeeltjes (roetbegin) de geboorte van het roetdeeltje.

Er zijn twee hoofdroutes voorgesteld voor het ontstaan ​​van roet: ofwel fysieke condensatie waarbij moleculen druppeltjes vormen, ofwel chemische polymerisatie waarbij moleculen reageren om deeltjes te vormen. Maar elk pad op zich is niet optimaal, zoals: “fysieke en elektrische condensatie van precursormoleculen is snel maar te zwak om roet bij elkaar te houden, terwijl de meeste chemische bindingen sterk zijn, maar de tot nu toe voorgestelde mechanismen zijn te traag om de snelle groei van roet te verklaren, zoals waargenomen in experimenten.”

In plaats daarvan suggereren de auteurs een “Middenweg” waarbij mechanismen betrokken zijn met zowel fysische als chemische aspecten. Veelbelovende opties worden belicht met π-radicalen en diradicalen, maar sluitend bewijs voor een specifiek mechanisme en voorspellende modellen ontbreekt nog steeds.

Uiteindelijk concluderen de auteurs dat: “de uitstoot van koolstofhoudende nanodeeltjes moet een onderzoeks- en industriële prioriteit zijn voor de toekomst van verbrandingsapparatuur en nieuwe materiaaltoepassingen.”

“Roetbegin: vorming van koolstofhoudende nanodeeltjes in vlammen” is gepubliceerd in Vooruitgang in energie- en verbrandingswetenschap door onderzoekers van Cambridge Centre for Advanced Research and Education in Singapore Ltd en University of Cambridge.