Novi polimer ustvarja varnejša goriva | 2020

Vsebina:

Anonim

Delo je objavljeno v reviji 2. oktobra Znanost .

Jet motorji stisnejo zrak in ga kombinirajo s finim curkom reaktivnega goriva. Vžig mešanice zraka in reaktivnega goriva z električno iskro sproži nadzorovano eksplozijo, ki potiska ravnino naprej. Letala Jet poganjajo tisoči teh majhnih eksplozij. Vendar postopek, ki razpršuje gorivo za vžig - znan kot meglenje - tudi povzroči, da se gorivo hitro razprši in se v primeru trka lahko hitro vname.

Dodatek, ustvarjen v laboratoriju Julie Kornfield (BS '83), profesorja kemijskega inženirstva, je vrsta polimera - dolga molekula, sestavljena iz številnih ponavljajočih se podenot - na vsakem koncu je omejena z enotami, ki delujejo kot Velcro. Posamezni polimeri se spontano vežejo v ultralong verige, imenovane "megasupramolecules".

"Megasupramolecules", pravi Kornfield, ima izjemno kombinacijo lastnosti, ki jim omogoča nadzor nad razprševanjem goriva, izboljšanje pretoka goriva po cevovodih in zmanjšanje nastajanja saj. Megasupramolecules preprečuje meglitev v pogojih trčenja in dopušča meglenje med vbrizgavanjem goriva v motor.

Drugi polimeri so pokazali te koristi, vendar imajo pomanjkljivosti, ki omejujejo njihovo uporabnost. Na primer, ultralong polimeri so nagnjeni k nepopravljivim prekinitvam pri prehodu skozi črpalke, cevovode in filtre. Posledično izgubijo svoje uporabne lastnosti. Vendar to ni problem z megasupramolecules. Čeprav se supramolekule tudi ločijo na manjše dele, ko prehajajo skozi črpalko, je proces reverzibilen. Velcro-podobne enote na koncih posameznih verig se preprosto ponovno povežejo, ko se srečajo, kar učinkovito "zdravi" megasupramolekule.

Ko se dodajo gorivu, megasupramolekule dramatično vplivajo na obnašanje pretoka, tudi če je koncentracija polimera prenizka, da bi vplivala na druge lastnosti tekočine. Na primer, aditiv ne spremeni energetske vsebine, površinske napetosti ali gostote goriva. Poleg tega je moč in učinkovitost motorjev, ki uporabljajo gorivo z dodatkom, nespremenjena - vsaj pri dizelskih motorjih, ki so bili do sedaj testirani.

Ko pride do udara, supramolekule vzmeti v delovanje. Supramolekule večino svojega časa prežijo v kompaktni obliki. Kadar pride do nenadnega raztezka tekočine, se polimerne molekule raztegnejo in se upirajo nadaljnjemu raztezku. To raztezanje jim omogoča, da preprečijo razpad kapljic v pogojih udarca - s čimer zmanjšajo velikost eksplozij - in zmanjšajo turbulence v cevovodih.

"Zamisel o megasupramolekule je zrasla iz ultralong polimerov," pravi raziskovalec in prvi avtor Ming-Hsin "Jeremy" Wei (PhD '14). "V poznih sedemdesetih in zgodnjih osemdesetih letih so znanstveniki na področju polimera zelo navdušeni nad dodajanjem ultramogenih polimerov gorivom, da bi postimpaktne eksplozije zrakoplovov postale manj intenzivne." Koncept je bil preizkušen v obsežnem testu trka letala leta 1984. Letalo je bilo na kratko zajeto v ognjeno kroglo, kar je povzročilo negativne naslove in povzročilo, da ultralong polimeri hitro padejo iz službe, pravi Wei.

Leta 2002 je Virendra Sarohia (doktorica '75) na JPL-ju poskušala oživiti raziskave o nadzoru meglic v upanju, da bo preprečila nov napad, kot je napad 9-11. "On me je obrnil in me prepričal, da načrtujem nov polimer za nadzor nad meglico letalskega goriva," pravi Kornfield, avtor, odgovoren za nov papir. Prvi preboj je prišel leta 2006 s teoretičnim napovedovanjem megasupramolekule Ameri Davidom (PhD '08), nato pa študentom v njenem laboratoriju. David je oblikoval posamezne verige, ki so dovolj majhne, ​​da odpravijo predhodne probleme in se dinamično povezujejo v megasupramolekule, tudi pri nizkih koncentracijah. Predlagal je, da bi ti sklopi lahko zagotovili prednosti ultralong polimerov, z novo značilnostjo, da bi lahko šli skozi črpalke in filtre nepoškodovani.

Ko se je Wei leta 2007 pridružil projektu, se je odločil za te teoretične molekule. Izdelava polimerov želene dolžine z dovolj močnim "molekularnim velcrom" na obeh koncih se je izkazala kot izziv. S pomočjo katalizatorja, ki sta ga razvila Robert Grubbs, profesor kemije Victor in Elizabeth Atkins ter dobitnik Nobelove nagrade za kemijo leta 2005, je Wei razvil metodo za natančno kontrolo strukture molekularnega velcra in jo postavil na pravo mesto na polimerne verige.

Integracija znanosti in inženirstva je bila ključ do uspeha. Simon Jones, industrijski kemik, ki je zdaj na JPL-u, je Wei pomagal razviti praktične metode za izdelavo daljših in daljših verig z zaključnimi skupinami, ki so podobne Velcro. Prvi avtor in podiplomski študent Caltech Boyu Li sta pomagala Weiju, da razišče fiziko, ki je v ozadju vznemirljivega vedenja teh novih polimerov. Joel Schmitigal, znanstvenik iz ameriškega ameriškega centra za razvoj in inženirske raziskave na področju tankerjev (TARDEC) v Warrenu v Michiganu, je izvedel bistvene teste, ki so polimere postavili na pot za odobritev kot nov aditiv za gorivo.

"Če gledamo v prihodnost, če želite uporabiti ta dodatek v tisoč litrov reaktivnega goriva, dizelskega goriva ali nafte, potrebujete postopek za masovno proizvodnjo," pravi Wei. "Zato je moj cilj razviti reaktor, ki bo stalno proizvajal polimer - in načrtujem, da ga dosežem manj kot leto dni."

"Predvsem pa," pravi Kornfield, "upamo, da bodo ti novi polimeri rešili življenja in zmanjšali opekline, ki nastanejo zaradi posledic požarov v gorivu po nesreči".

Ugotovitve so objavljene v dokumentu z naslovom "Megasupramolecules za varnejše, čistejše gorivo s strani združenja dolgih telechelic polimerov." Delo so financirali TARDEC, Zvezna uprava za letalstvo, Fundacija Schlumberger in Sklad Gates Grubstake.