At studere kølvandet på reflekterede chokbølger afslører kaskaden af ​​kemiske reaktioner involveret i forbrænding

Den varme, nogle gange højtryk, alligevel er jævne forhold bag reflekterede stødbølger det ideelle miljø til at studere forbrændingens kemiske kompleksitet.

Aamir Farooq, fra KAUST's Clean Combustion Research Center, og hans hold, har brugt et stødrør kombineret med laserdiagnostik til at studere den hurtige kaskade af kemiske reaktioner, der sættes i gang, når brændstof forbrænder. Disse data kan hjælpe med design af rengøringsmidler, mere effektive motorer og brændstoffer, end der er tilgængelige i øjeblikket. Den opnåede indsigt kunne også bruges til at studere reaktioner i luften, der genererer eller fjerner forurenende stoffer, eller endda for at studere de atmosfæriske forhold på fjerne planeter.

"Stødrør er ideelle kemiske reaktorer, på grund af de næsten homogene nuldimensionelle forhold bag reflekterede chokbølger, " siger Farooq. Holdet skinner lasere gennem stødrøret for at overvåge den kemi, der finder sted. "Laserdiagnostik gør os i stand til at foretage in situ målinger af kemiske arter, der forbruges og dannes under en kemisk reaktion, " tilføjer Farooq. "Vi kan spore meget reaktive frie radikaler, som spiller en nøglerolle i forbrændingskinetik."

To nyere artikler illustrerer bredden af ​​information, der kan erhverves. Farooq og hans team undersøgte forbrændingskemien af ​​cykliske ketoner, som kan fremstilles af planteaffald og har fremragende forbrændingsadfærd1. "Biomasseafledte cykliske ketoner tiltrækker interesse på grund af deres gode antibankeegenskaber og deres effektivitet til at reducere skadelige emissioner, " siger Dapeng Liu, en ph.d. elev i Farooqs hold. Reaktioner med hydroxylradikaler er en af ​​de vigtigste reaktioner, der starter forbrændingen af ​​cykliske ketoner, men disse var aldrig blevet eksperimentelt målt før ved høje temperaturer.

"Sammenlignet med vores målinger, forskere havde overvurderet reaktiviteten af ​​cykliske keton- og hydroxylreaktioner ved høje temperaturer, men de havde undervurderet det for stuetemperaturforhold, " siger Liu. Disse nye data vil forbedre modeller, der bruges til at designe brændstoffer, der inkorporerer cykliske ketoner.

Holdet studerede også hydroxylreaktioner med diolefiner, almindelige molekyler med to carbon-carbon dobbeltbindinger2. Denne interaktion er vigtig for brændstofforbrænding, men også for atmosfærisk kemi. "Isopren, en velkendt diolefin, er produceret af dyr og planter og kan findes i høj koncentration i skovområder, " siger Fethi Khaled, der for nylig afsluttede sin ph.d. med Farooq.

"Vores arbejde viste den rige kemi af hydroxylradikaler og diolefiner, " siger Khaled. Holdet afslørede et klart skift fra reaktionsveje, hvor hydroxylradikaler tilføjer til diolefiner ved atmosfæriske forhold til veje, hvor hydroxylradikaler plukker hydrogenatomer fra diolefiner, når temperaturen stiger op til forbrændingsbetingelserne.

Resultaterne tilføjer til den voksende database over reaktionshastighedskoefficienter, som holdet har leveret, som bruges meget af kemiske kinetiske modellerere og teoretikere til at validere deres beregninger, siger Farooq.

"I fremtiden, vi vil fokusere på radikale plus radikale reaktioner, som er meget mere udfordrende at studere, men spiller en afgørende rolle i mange kemiske miljøer, " siger han. "Vi designer ny laserdiagnostik til at detektere en bred vifte af molekyler, så vi kan tegne et komplet billede af komplekse kemiske reaktioner, " tilføjer Farooq. "Endelig, vi udvider vores metoder til at studere reaktioner, der er relevante for atmosfærisk kemi og interstellare planeter."