Суперкомпьютер помог учёным исследовать вредное влияние сажи на экологию

Учёные 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 исследовании данные должны помочь в развитии теоретических моделей, которые широко используются для интерпретации экспериментов по изучению сажеобразования. Работа выполнена при поддержке РНФ (грант 20-79-00245) и 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 самолётов мы смешиваем их с кислородом и сжигаем для получения энергии. Самый известный продукт горения — 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 начнёт 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 её структуры до механизма образования. Исследованию процессов горения и сажеобразования посвящены сразу несколько журналов Q1. В одном из таких — Combustion & Flame — вышла статья молодых учёных 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 твёрдой фазы от неё отрываются молекулы С3–С5 и улетают в атмосферу. В лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ провели моделирование на основе классической молекулярной динамики. Учёные исследовали атомистическую структуру сажи и проанализировали возможные продукты её 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.