Ученые МФТИ разобрались с механизмом термического разложения сажи
Моделирование процесса термического разложения сажи с целью выявления механизмов этого процесса провели на суперкомпьютере ученые Московского физико-технического института, 15 февраля сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу МФТИ.
Знание механизмов образования и разложения сажи необходимо для разработки мер по снижению вредных выбросов, возникающих в процессе сжигания углеводородов. Данные, полученные в результате проведенного в МФТИ моделирования, помогут в дальнейшем развитии теоретических моделей, используемых при интерпретации экспериментов по изучению сажеобразования.
Результаты своей работы ученые представили в статье «Механизмы термического разложения сажи: исследование реактивной молекулярной динамики», опубликованной в журнале Combustion and Flame.
В настоящее время, несмотря на все усилия для перехода на энергетику безуглеродную, энергетика в мире по-прежнему требует потребления углеводородов. Они, в смеси с кислородом, сжигаются в двигателях автомобилей, турбинах самолетов, котлах ТЭЦ.
Основным продуктом горения углеводородов является углекислый газ СО₂. Однако при недостатке в смеси кислорода углерод при горении начнет выпадать в виде сажи — одной из аморфных форм углерода. По своей структуре сажа представляет собой нано- и микроразмерные углеродные частицы сложной формы. Попадая в атмосферу, сажа наносит и экологии, и здоровью людей значительный урон.
Экспериментальное изучение образования сажи представляет собой достаточно сложную задачу из-за того, что химические процессы при горении протекают очень быстро. Это заставляет экспериментаторов использовать косвенные методы анализа.
Один из них — метод лазерно-индуцированной инкандесценции: область, в которой происходит образование сажи, облучают интенсивным наносекундным лазерным пучком и проверяют, распались ее частицы или нет.
Однако в этом случае надо знать механизм распада частиц сажи под действием лазера. Предполагалось, что и для сажи и для графита он аналогичен: по мере нагрева твердого углерода от него отрываются и улетают в атмосферу молекулы С₃-С₅.
Ученые МФТИ в лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи провели моделирование этого процесса на основе классической молекулярной динамики. Они исследовали атомистическую структуру сажи и проанализировали возможные продукты ее термического разложения.
Заместитель заведующего лабораторией Никита Орехов сообщил о полученных результатах: «Атомистическое моделирование показало нам, что возможны несколько сценариев распада сажевых частиц, а значит, теоретические модели нуждаются в усовершенствовании».
Согласно результатам моделирования, в сажевых частицах может возникать эффект «закалки» в случае, если их быстро нагреть до температур 3000–4000 °К и охладить. При этом структурные и теплофизические свойства частиц сажи изменятся. Например, у них повышается температура распада, то есть такая частица становится стабильнее.
Данные, полученные в исследовании ученых МФТИ, помогут в разработке теоретических моделей для интерпретации экспериментов по изучению сажеобразования. Также они расширяют научные представления о структурных перестройках в углеродных наночастицах при высоких (до 4000–5000 °К) температурах, что может быть использовано для борьбы с сажеобразованием.
