El antiguo misterio sobre la formación del hollín, que los científicos de la combustión han tratado de explicar durante décadas, parece que finalmente se ha resuelto en Sandia National Laboratories.

El hollín es omnipresente y tiene grandes efectos perjudiciales en la salud humana, la agricultura, la eficiencia del consumo de energía, el clima y la calidad del aire.

Responsable del aumento significativo de las tasas de enfermedades cardiovasculares y pulmonares y muertes asociadas, el hollín también contribuye a millones de muertes en el mundo anualmente, en gran parte por la cocina y la calefacción en interiores en las naciones en desarrollo. Cada año provoca decenas de miles de muertes en Estados Unidos, principalmente a causa de las emisiones antropogénicas a la atmósfera. Las emisiones atmosféricas de hollín se conoce como carbono negro.

«Al comprender la formación de hollín, tenemos una mayor posibilidad de poder reducir sus emisiones peligrosas de motores, incendios forestales y estufas de cocina y controlar su producción y características durante los procesos industriales», dice el investigador de Sandia Hope Michelsen, y agrega que todos saben lo que es el hollín, pero nadie ha sido capaz de explicar cómo las moléculas de combustible gaseoso se convierten en partículas de hollín.

Esta investigadora señala que la formación de hollín resulta ser muy diferente del típico proceso de condensación de moléculas de gas en una partícula, en cambio, requiere reacciones químicas rápidas en lugar de condensación. La solución también puede aplicarse a otras condiciones de alta temperatura, como el espacio interestelar, donde se forman grandes cantidades de partículas de polvo de carbono, dice.

Este trabajo pionero se detalla en un artículo publicado en la revista ‘Science’, titulado ‘Las reacciones de la cadena de hidrocarbono estabilizada por resonancia pueden explicar el inicio y el crecimiento del hollín’. Los autores incluyen a los investigadores de Sandia Michelsen, Olof Johansson y Paul Schrader; Kevin Wilson del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; y Martin Head-Gordon, de la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

El trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias de Energía Básica del Departamento de Energía. «El trabajo representa un enorme éxito científico como resultado de años de apoyo para el trabajo sistemático y centrado en el desarrollo de una comprensión fundamental de la química de hidrocarburos a alta temperatura», explica Michelsen.

El hollín se forma durante la quema de combustibles de hidrocarburos, como el petróleo, el gas natural y la madera. A pesar de que tiene efectos perjudiciales para la salud y el medio ambiente, el hollín es extremadamente importante para muchos procesos industriales, como el rendimiento de la caldera, la producción de vidrio y la generación de humo negro para el refuerzo de productos de goma y los pigmentos.

A pesar de la ubicuidad y la importancia del hollín, la química básica que explica por qué las moléculas en una llama se mantienen juntas a altas temperaturas y forman partículas ha permanecido como un rompecabezas científico hasta ahora, señala Michelsen.

Fuertes enlaces químicos, claves en la formación de hollín

En su forma final, el hollín es un sólido muy similar al grafito, pero inicialmente se forma a partir de hidrocarburos gaseosos. La evidencia experimental indica que pasa de un gas a un líquido antes de que se convierta en un sólido. Los científicos han intentado durante décadas explicar esa transición. «La mayoría de la gente está familiarizada con la forma en que la fase gaseosa del agua –vapor de agua– se condensa en gotas cuando se enfría. Al enfriarla más se convertirá en hielo, la fase sólida del agua. El hollín es diferente», explica Michelsen.

Las partículas de hollín se forman cuando las moléculas gaseosas se calientan a altas temperaturas y no vuelven fácilmente a las moléculas gaseosas como lo hacen las gotas de agua cuando se calientan. Los fuertes enlaces químicos mantienen unidas las partículas de hollín. «Hacer hollín es más parecido a hornear un pastel que a condensar agua. Calentar la masa líquida del pastel a altas temperaturas lo convierte en una forma sólida y estable», detalla Michelsen.

Los científicos sospechan desde hace tiempo que deben de formarse enlaces químicos para producir hollín. Sin embargo, la formación de hollín es rápida, y los investigadores no entendían cómo los enlaces químicos requeridos podrían formarse tan rápidamente. Para hacer el problema aún más difícil, los investigadores ni siquiera estaban seguros de qué moléculas de la fase gaseosa estaban involucradas en la producción de hollín.

«Es muy difícil hacer mediciones en una llama –reconoce Michelsen– y, sin las mediciones de las especies moleculares participantes, es como tratar de descubrir cómo se hace una torta sin conocer los ingredientes».

La clave para la formación de hollín está en los radicales estabilizados por resonancia, apunta Johansson. En general, las moléculas que son radicales tienen electrones desapareados que desean compartir, lo que los hace reactivos. Pero, a diferencia de la mayoría de los radicales, estos radicales estabilizados por resonancia tienen electrones desapareados que participar en otros enlaces en la molécula.

Compartir la densidad de electrones entre los electrones no apareados y otros enlaces en la molécula hace que estos radicales sean más estables que otros radicales, pero, sin embargo, son más reactivos que la mayoría de las otras moléculas grandes que forman hollín.

Las mediciones realizadas en la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Lawrence Berkeley mostraron una secuencia de estas especies radicales en todas las llamas estudiadas. Michelsen dice que otros investigadores habían visto estos radicales y pensaron que podrían estar involucrados en la formación de hollín, pero no parecía haber suficientes pruebas para ser el principal impulsor.

«Descubrimos que estos radicales pueden comenzar una reacción en cadena», dice Michelsen. Cuando estos radicales reaccionan con otras moléculas, pueden formar fácilmente nuevos radicales estabilizados por resonancia. En el proceso, reaccionan con otros hidrocarburos gaseosos y siguen creciendo, regenerando radicales como parte de la partícula en crecimiento.

Johansson explica: «Realizamos cálculos para demostrar que este proceso debería suceder rápidamente». «Es realmente bastante simple, bueno, una vez que sepa la respuesta –añade Michelsen–. El mecanismo químico es relevante para muchos procesos de alta temperatura, incluida la formación de partículas de polvo interestelar, que impregnan nuestra galaxia».

Fuente: europapress.es