Самарские ученые экспериментально подтвердили механизм образования канцерогенов при реакциях горения

Исследователи также установили, при каких условиях вредных веществ образуется больше всего.

Ученые Самарского университета им. Королёва и Самарского филиала Физического института им. Лебедева РАН (СФ ФИАН) в ходе экспериментального исследования подтвердили молекулярный механизм химической эволюции канцерогенов, возникающих при реакциях горения в газотурбинных двигателях. Исследование получило финансовую поддержку в виде гранта Российского научного фонда. Результаты научных изысканий отражены в статье, вышедшей в авторитетном международном журнале Chemistry Europe.

"Научная значимость нашего исследования состоит в том, что мы экспериментально и с большой точностью подтвердили на практике молекулярный механизм зарождения полициклических ароматических углеводородов, являющихся канцерогенами и возникающих в ходе различных реакций горения, например, в камерах сгорания газотурбинных двигателей. Во время работы двигателя происходят тысячи химических реакций, за доли секунды в раскаленном газе образуются и затем исчезают самые разные вещества. Это как ускоренная химическая эволюция, где из простых по своему молекулярному составу веществ образуются более сложные. Разумеется, большинство этих реакций и процессов давно изучены и описаны, но точные химические механизмы, определяющие, как именно образуется то или иное вещество, в ряде случаев до сих пор остаются предметом научных дискуссий и экспериментальных исследований. Нам удалось поймать и зафиксировать самый начальный момент образования молекул нафталина, являющегося канцерогеном, и определить порядок химических событий, предшествующих их образованию", – рассказал Яков Медведков, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории "Физика и химия горения" Самарского университета им. Королёва и Центра лабораторной астрофизики СФ ФИАН.

В ходе экспериментов ученые подтвердили и уточнили известный химический механизм HACA (Hydrogen Abstraction – Acetylene Addition), при котором образование полициклических ароматических углеводородов происходит путем повторяющегося отщепления атома водорода с последующим добавлением молекулы ацетилена к радикальному участку. Исследования проводились на экспериментальной установке для изучения реакционной динамики и кинетики процессов горения. Установка была разработана и собрана в Самарском университете им. Королёва в рамках мегагранта Правительства РФ "Разработка физически обоснованных моделей горения".

В микрореакторе установки при определенных значениях температуры и давления ученые инициировали химические реакции, продукты которых в виде молекулярного пучка попадали далее в сверхвысоковакуумную камеру и ионизировались вакуумным ультрафиолетовым излучением или УФ-лазером, после чего масс-спектрометр, "поймав" получившиеся ионы, очень точно определял массовый и изомерный состав продуктов, образовавшихся в результате химической реакции. Давление варьировалось от 100 до 600 Торр, а температура стенок микрореактора менялась от 800 до 1200 К. Кроме того, для фотоионизации использовались два различных лазерных метода, а не один, как обычно, – в результате выросла точность определения образовавшихся молекул.

"Полученные нами данные имеют значение не только для фундаментальной науки, но и в прикладном плане для разработки новых, более экологичных двигателей. Например, в ходе нашего исследования мы установили, что образование нафталина при реакциях горения очень чувствительно к температуре и давлению – объемы нафталина растут при более низких температурах и при более высоком давлении в камере сгорания, достигая своего пика в 53% при температуре 800 К и давлении 300 Торр. При росте температуры и снижении давления образование нафталина заметно, буквально в разы, уменьшается", – подчеркнул Яков Медведков.

Автор фото: Анар Мовсумов