Самарские ученые смоделировали на суперкомпьютере механизм образования сажи

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П.Королева провели исследование*, результаты которого помогут уменьшить уровень образования сажи в двигателях, использующих углеводородное топливо. С помощью университетского суперкомпьютера "Сергей Королев"** ученые смоделировали механизм образования зародышей сажи и рассчитали константы скорости возможных химических реакций. Итоги проведенного научного исследования опубликованы в ряде ведущих мировых журналов, в том числе в журнале Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP).

"В современном мире большое внимание уделяется уменьшению вредных выбросов от двигателей внутреннего сгорания и других устройств, работающих на углеводородном топливе. Важным при этом является контроль уровня образования сажи, которая не только загрязняет окружающую среду, но и уменьшает срок службы техники. Но чтобы контролировать выбросы сажи, нужно понимать механизм образования сажевых частиц, однако этот вопрос в мировой науке до сих пор слабо изучен, единой теории о механизме сажеобразования пока не существует", - рассказала старший научный сотрудник научно-образовательного центра газодинамических исследований Самарского университета Анна Савченкова.

Наименее изученный вопрос в этой сфере - как именно зародыши сажи образуются из нескольких молекул ПАУ (полициклических ароматических углеводородов). Наиболее популярной является химическая теория, которая заключается в том, что зародыши сажи образуются за счет соединения (димеризации***) двух молекул ПАУ с образованием прочной ковалентной связи. Ученые Самарского университета изучили образование таких соединений (димеров) для систем, включающих важные ПАУ, которые присутствуют в продуктах сгорания углеводородных топлив, таких как нафталин, антрацен и пирен.

"Поскольку изучать кинетику таких взаимодействий экспериментально весьма затруднительно, наше исследование проводилось высокоточными квантово-химическими методами на суперкомпьютере "Сергей Королев". Мы предположили механизм димеризации, просчитали относительные энергии всех промежуточных соединений, а также продуктов и реагентов и определили константы скорости возможных реакций. Включение полученных в нашем исследовании констант скорости в кинетические механизмы значительно повысит их точность в предсказании образования димеров ПАУ, что в конечном счете позволит более точно прогнозировать образование сажи при сгорании углеводородных топлив, а значит, даст возможность решения многих экологических задач", - подчеркнула Анна Савченкова.

^{* Исследования проводились в рамках проекта старшего научного сотрудника научно-образовательного центра газодинамических исследований Самарского университета Анны Савченковой "Создание модели образования зародышей сажи за счет димеризации молекул ПАУ". Данный проект был поддержан Российским научным фондом, став победителем конкурса "Проведение инициативных исследований молодыми учеными" Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными. Программа разработана по поручению Президента Российской Федерации с целью содействия формированию в России передового сектора фундаментальных и поисковых исследований, пользующихся мировым признанием, и поддержки лучших российских ученых.}

^{** Суперкомпьютер "Сергей Королев" cоздан в рамках программы развития национального исследовательского университета при поддержке правительства Самарской области. Система суперкомпьютера обеспечивает пиковую производительность 40 триллионов операций с плавающей точкой в секунду (40 ТФлопс).}

^{*** Димеризация — процесс образования нового вещества путём соединения двух структурных элементов (молекул, в том числе белков, или частиц) в комплекс (димер), стабилизируемый слабыми и/или ковалентными связями.}