• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
15.02.2023
ФизТех
266

В МФТИ узнали, как проанализировать мельчайшие частицы в пламени

4.6

Ученые из МФТИ промоделировали на суперкомпьютере процесс термического разложения сажи. Понимание механизмов образования и разложения сажи важно для снижения вредных выбросов при сжигании углеводородов. Полученные в работе данные должны помочь в развитии теоретических моделей, которые широко используются для интерпретации экспериментов по изучению сажеобразования.

Распад сажевой частицы под действием лазера / ©Никита Орехов / Автор: Ptolemocratia Acerronius

Работа опубликована в журнале Combustion and Flame. Как бы нам ни хотелось обратного, энергетика всего человечества по-прежнему держится на углеводородах: в двигателях автомобилей и в турбинах самолетов мы смешиваем их с кислородом и сжигаем для получения энергии. Самым известным продуктом горения является углекислый газ СО2. Но что, если кислорода в смеси окажется недостаточно или он распределится неравномерно? В этой ситуации углероду не хватит напарников для образования молекулы СО2, так что он начнет выпадать в виде сажи — одной из аморфных (в отличие от кристаллических графита и алмаза) форм углерода. Согласно некоторым исследованиям, сажа наносит экологии и здоровью людей не меньший урон, чем главный климатический «злодей» СО2.

В быту сажа знакома нам как копоть от свечки, а по факту она представляет собой совокупность нано- и микро-размерных углеродных частиц замысловатой формы. Что же может быть загадочного в банальной копоти с точки зрения физической химии? Да практически все: от ее структуры до механизма образования. Исследованию процессов горения и сажеобразования посвящены сразу несколько журналов Q1. В одном из таких — Combustion & Flame — вышла статья молодых ученых из МФТИ, в которой моделируется поведение сажи под воздействием импульсного лазерного нагрева.

Экспериментальное изучение образования сажи — задача нетривиальная: химические процессы в пламени протекают очень быстро. Поэтому экспериментаторы прибегают к косвенным методам анализа: облучают область, в которой происходит образование сажи, интенсивным наносекундным лазерным пучком и проверяют, распались частицы или нет. Это так называемый метод лазерно-индуцированной инкандесценции, и многие знания о формировании сажи получены именно благодаря ему.

Но, чтобы правильно интерпретировать достигнутые в подобном эксперименте результаты, надо знать, каков механизм распада частиц под действием лазера. Традиционно считалось, что для сажи он ничем не отличается от аналогичного для графита: по мере нагрева твердой фазы от нее отрываются молекулы С3–С5 и улетают в атмосферу. В лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ провели моделирование на основе классической молекулярной динамики. Ученые исследовали атомистическую структуру сажи и проанализировали возможные продукты ее термического разложения.

Никита Орехов, заместитель заведующего лабораторией многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ, прокомментировал: «Атомистическое моделирование показало нам, что возможны несколько сценариев распада сажевых частиц, а значит, теоретические модели нуждаются в усовершенствовании». Модель показала, что в сажевых частицах может наблюдаться эффект, напоминающий закалку: если сажу быстро нагреть до температур 3000–4000 К и охладить, её структурные и теплофизические свойства изменятся (в частности, повышается температура распада, то есть частица становится стабильнее).

Полученные данные должны помочь в развитии теоретических моделей, которые широко используются для интерпретации экспериментов по изучению сажеобразования. Помимо этого, они немного расширят наши представления о структурных перестройках в углеродных наночастицах при высоких (до 4000–5000 К) температурах и помогут в борьбе с сажей. Работа выполнена при поддержке РНФ. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 08:35
Полина Меньшова

Британский учитель географии Грэм Сеньор работал в саду и случайно обнаружил в земле небольшой прямоугольный камень. Оказалось, что на артефакте высечен текст, написанный с помощью древнего кельтского алфавита огам.

Вчера, 16:47
Ольга Иванова

Американские ученые описали новый вид уникального паукообразного с крепкими ногами, усыпанными шипами. Членистоногое жило в каменноугольном периоде и совершенно не похоже ни на один современный вид.

6 часов назад
Андрей

Группа энтомологов решила уточнить, откуда происходят предки современных рыжих тараканов и каким образом те захватили человеческие жилища почти на всех континентах. Для этого ученые секвенировали ДНК примерно 300 насекомых и смоделировали наиболее вероятные сценарии расселения на основе генетической информации.

Вчера, 08:35
Полина Меньшова

Британский учитель географии Грэм Сеньор работал в саду и случайно обнаружил в земле небольшой прямоугольный камень. Оказалось, что на артефакте высечен текст, написанный с помощью древнего кельтского алфавита огам.

18 мая
Полина Меньшова

При гипертонии пациентам рекомендуют аэробные тренировки, включающие в себя, например, ходьбу, бег, танцы, езду на велосипеде. Но такая физическая нагрузка положительно влияет на артериальное давление только в вечернее время, выяснили физиологи из Бразилии и США.

Позавчера, 17:46
Александр Березин

Миссия NS-25 стала первой после длительной приостановки полетов New Shepard — полностью многоразового суборбитального носителя и корабля. Джефф Безос, владелец Amazon, 24 года назад создавший компанию Blue Origin, некогда планировал, что этот носитель станет базой для серьезной выручки от космического туризма.

24 апреля
Ольга Иванова

Ученые из Австралии и Канады пришли к выводу, что подавляющее большинство одиноких людей не вступает в романтические отношения из-за страха. С одной стороны ими руководят опасения, что их отвергнут, с другой — что они потеряют свою независимость.

15 мая
НИУ ВШЭ

Международный коллектив исследователей при участии ученых из Института когнитивных нейронаук НИУ ВШЭ изучил, как выбор иностранного языка влияет на когнитивные способности человека. Оказалось, что языки, непохожие на родной, стимулируют когнитивную функцию на начальном этапе их изучения, а близкие к родному имеют отложенный эффект и помогают мозгу эффективнее работать при более высоком уровне владения иностранным языком.

3 мая
Василий Парфенов

Ледяной покров Антарктики претерпевает значительные изменения на протяжении года, и его поведение хорошо изучено в общем. Но некоторые локальные аномалии объяснить не получается вот уже несколько десятилетий. Одна из них — полынья возвышения Мод, или полынья моря Уэдделла, которая появляется нерегулярно на одном и том же месте. Международная команда океанологов, наконец, смогла разгадать механизмы ее образования.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: