lundi 5 octobre 2015

Nouveau polymère crée des combustibles plus sûres

Avant de se lancer dans un voyage transcontinental, avions à réaction se remplissent avec des dizaines de milliers de gallons de carburant. Dans le cas d'un accident, de telles grandes quantités de carburant augmentent la sévérité d'une explosion à l'impact. Des chercheurs de Caltech et JPL ont découvert un additif de carburant polymère qui peut réduire l'intensité de Postimpact explosions qui se produisent pendant les accidents et les actes terroristes. En outre, les résultats préliminaires montrent que l'additif peut offrir cet avantage sans nuire à la performance du combustible.

Les moteurs à réaction comprimer de l'air et les combiner avec une fine pulvérisation du carburant. L'allumage du mélange d'air et de carburant pour jet par une étincelle électrique déclenche une explosion contrôlée qui pousse l'avion vers l'avant. Les avions à réaction sont alimentés par des milliers de ces petites explosions. Toutefois, le processus qui répartit la pulvérisation du carburant pour l'allumage - connu sous le nom brumisation - provoque également du carburant pour disperser rapidement et de prendre feu en cas d'un impact facilement.

L'additif, créé dans le laboratoire de Julia Kornfield (BS 83), professeur de génie chimique, est un type de polymère - une longue molécule composée de plusieurs sous-unités répétitives - plafonné à chaque extrémité par des unités qui agissent comme Velcro. Les polymères individuels lien spontanément dans les chaînes ultralongues appelés «megasupramolecules."

Megasupramolecules, Kornfield dit, ont une combinaison sans précédent de propriétés qui leur permet de contrôler la brumisation de carburant, d'améliorer le débit de carburant dans les pipelines, et de réduire la formation de suie. Megasupramolecules inhibent la formation de buée dans des conditions d'accident et permettent de brouillard au cours de l'injection de carburant dans le moteur.

D'autres polymères ont montré que ces avantages, mais présentent des lacunes qui limitent leur utilité. Par exemple, les polymères ultralongues ont tendance à casser de manière irréversible lors du passage dans les pompes, les canalisations et les filtres. En conséquence, ils perdent leurs propriétés utiles. Ce ne sont pas un problème avec megasupramolecules, cependant. Bien que supramolécules détachent également en parties plus petites lors de leur passage à travers une pompe, le procédé est réversible. Les unités Velcro comme aux extrémités des chaînes individuelles reconnecter tout simplement quand ils se rencontrent, efficacement "guérison" les megasupramolecules.

Lorsqu'il est ajouté au carburant, megasupramolecules affectent considérablement le comportement d'écoulement même lorsque la concentration en polymère est trop faible pour influencer d'autres propriétés du liquide. Par exemple, l'additif ne modifie pas la teneur en énergie, la tension superficielle ou la densité du carburant. En outre, la puissance et l'efficacité des moteurs qui utilisent des combustibles avec l'additif est inchangé - du moins dans les moteurs diesel qui ont été testés jusqu'à présent.

Lors d'un choc, les supramolécules entrer en action. Les supramolécules passent la plupart de leur temps enroulé dans une conformation compacte. Quand il y a un allongement brusque du fluide, cependant, les molécules de polymère étirent et résistent en outre l'allongement. Cet étirement leur permet d'inhiber l'éclatement de gouttelettes dans des conditions d'impact - réduisant ainsi la taille des explosions - ainsi que pour réduire les turbulences dans les pipelines.

"L'idée de megasupramolecules née de polymères ultralongues», dit-chercheur et co-premier auteur Ming-Hsin "Jeremy" Wei (PhD '14). «À la fin des années 1970 et au début des années 1980, les scientifiques de polymère étaient très enthousiastes à propos de l'ajout de polymères ultralongues à combustible afin de faire explosions Postimpact d'avions moins intense." Le concept a été testé dans un essai de collision à grande échelle d'un avion en 1984. L'avion a été brièvement plongé dans une boule de feu, générant manchettes négatives et causant des polymères ultralongues tombent rapidement hors de la faveur, dit Wei.

En 2002, Virendra Sarohia (PhD '75) au JPL a cherché à relancer la recherche sur le contrôle de brume dans l'espoir de prévenir une autre attaque comme celle de 9-11. "Il tendit la main vers moi et m'a convaincu de concevoir un nouveau polymère pour le contrôle de la brume de jet fuel», dit Kornfield, l'auteur correspondant sur le nouveau papier. La première percée est venue en 2006 avec la prédiction théorique de megasupramolecules par Ameri David (PhD '08), puis un étudiant diplômé dans son laboratoire. David conçu chaînes individuelles qui sont suffisamment petits pour éliminer les problèmes antérieurs et qui associent dynamiquement ensemble dans megasupramolecules, même à de faibles concentrations. Il a suggéré que ces ensembles peuvent offrir les avantages de polymères ultralongues, avec la nouvelle fonctionnalité qu'ils pourraient passer à travers pompes et filtres sains et saufs.

Lorsque Wei a rejoint le projet en 2007, il a décidé de créer ces molécules théoriques. La production de polymères de la longueur désirée avec suffisamment fort "velcro moléculaire» sur les deux extrémités avéré être un défi. Avec l'aide d'un catalyseur développé par Robert Grubbs, Victor et Elizabeth Atkins professeur de chimie et lauréat du Prix Nobel de chimie 2005, Wei a développé une méthode pour contrôler précisément la structure du velcro moléculaire et le mettre dans le bon endroit sur les chaînes de polymère.

Intégration des sciences et du génie était la clé du succès. Simon Jones, un chimiste industriel maintenant au JPL, a aidé à développer Wei méthodes pratiques pour produire plus et des chaînes plus longues avec les groupes terminaux Velcro-comme. Co-auteur et le Caltech étudiant diplômé Boyu Li Wei ont aidé explorer la physique derrière le comportement passionnant de ces nouveaux polymères. Joel Schmitigal, un scientifique de l'US Army Centre réservoir Automobile développement de la recherche et de l'ingénierie (TARDEC) à Warren, Michigan, a réalisé des tests essentiels qui mettent le polymère sur le chemin vers l'approbation comme un nouvel additif de carburant.

"Quant à l'avenir, si vous souhaitez utiliser cet additif dans des milliers de litres de kérosène, de diesel ou de l'huile, vous avez besoin d'un processus visant à produire en masse», dit Wei. "Voilà pourquoi mon objectif est de développer un réacteur qui va produire en continu du polymère - et je prévois de réaliser moins d'un an à partir de maintenant."

«Avant tout," dit Kornfield, "nous espérons que ces nouveaux polymères seront sauver des vies et réduire les brûlures qui résultent de feux de carburant Postimpact."