Реакция объединяет молекулу гидроксила (ОН, образуемую реакцией кислорода и воды) и монооксид углерода (СО, побочный продукт неполного сгорания ископаемого топлива) с образованием водорода (Н) и диоксида углерода (СО2, «парниковый газ», способствующий образованию глобальное потепление), а также жара.
Исследователи изучали эту реакцию в течение десятилетий и обнаружили, что ее скорость имеет аномальную зависимость от давления и температуры, что позволяет предположить наличие короткоживущего промежуточного продукта, молекулы гидрокарбоксила или HOCO. Но до сих пор HOCO не наблюдался непосредственно в условиях, подобных тем, которые существуют в природе, поэтому исследователи не могли точно рассчитать давления, при которых реакция либо приостанавливается на стадии HOCO, либо быстро протекает с образованием конечных продуктов.
Как описано в выпуске журнала Science от 28 октября 2016 г., прямое обнаружение JILA промежуточного соединения и измерения его подъема и падения при различных давлениях и различных смесях атмосферных газов выявили механизм реакции, количественно оценили выход продукта и проверили теоретические модели, которые были неполными, несмотря на кропотливые усилия. JILA – это партнерство Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере.
«Мы проследили реакцию шаг за шагом во времени, в том числе увидели недолговечные и, следовательно, неуловимые промежуточные продукты, которые играют решающую роль в конечных продуктах», – сказал член JILA / NIST Джун Йе. "Окончательно поняв реакцию в полной мере, мы сможем гораздо более точно моделировать химические процессы в атмосфере, в том числе то, как образуется загрязнение воздуха."
Исследователи JILA применяют химию по-новому, полностью контролируя реакции с помощью искусственных средств, вместо того, чтобы полагаться на природу.
Они использовали лазер, чтобы вызвать реакцию внутри контейнера, называемого лабораторной проточной ячейкой, через которую проходили образцы молекул, участвующих в реакции, и других газов. Этот процесс имитировал природу за счет использования газов, содержащихся в атмосфере, и отсутствия катализаторов. Чтобы избежать путаницы в результатах из-за присутствия воды (которая содержит водород), исследователи использовали дейтерий или тяжелый водород в молекуле гидроксила OD, чтобы начать реакцию. Таким образом, они искали промежуточное звено DOCO вместо HOCO.
Во время эксперимента концентрации CO и азота менялись в диапазоне давлений.
Используя запатентованный JILA метод спектроскопии с частотной гребенкой, который идентифицирует химические вещества и измеряет их концентрацию в реальном времени на основе цветов поглощаемого света, исследователи измерили начальную OD и результирующую DOCO при различных давлениях и концентрациях атмосферных газов с течением времени, ища условия, при которых DOCO стабилизируется или разлагается с образованием CO2.
Команда JILA определила, что важным фактором является передача энергии из-за столкновений между промежуточной молекулой и соседними молекулами CO и азота. Эти столкновения могут либо стабилизировать промежуточный DOCO, либо деактивировать его и побудить реакцию перейти к конечным продуктам.
Метод спектроскопии частотной гребенки JILA анализирует химические вещества внутри стеклянного контейнера, в котором гребенчатый свет отражается взад и вперед между двумя зеркалами.
Повторяющиеся, непрерывные измерения делают этот метод особенно чувствительным и точным при идентификации «отпечатков пальцев» определенных молекул. В этом последнем эксперименте использовались новые «суперзеркала» с кристаллическими покрытиями, которые уменьшают потери света и улучшают чувствительность обнаружения в 10 раз.
Согласно статье, результаты JILA, особенно эффекты столкновений молекул, должны быть включены в будущие прогнозы моделей атмосферы и горения. Например, даже при низких давлениях реакция дает выход DOCO около 50 процентов, что означает, что примерно половина реакции останавливается на промежуточной стадии.
Это наблюдение влияет на расчеты, выходящие за пределы Земли: другие исследователи показали, что на долю HOCO может приходиться 25-70 процентов общей концентрации CO2 в холодной марсианской атмосфере.
В будущем исследователи JILA планируют расширить экспериментальный подход для изучения других химических продуктов и процессов. Одна из интересных тем – реакции с участием воды и CO2, чтобы помочь понять, как атмосферный CO2 взаимодействует с океанами и подкисляет их. Также представляют интерес исследования сгорания двигателя, влияющего на экономию топлива.
Автомобильный двигатель сочетает в себе воздух (кислород и азот) и топливо (углеводороды) для производства CO2 и воды. Неполное сгорание создает CO.