Национальный институт исследований окружающей среды
Исследовательская группа из Национального института исследований окружающей среды (Япония), Цюрихского университета прикладных наук (Швейцария), Токийского столичного университета (Япония) и других учреждений провела испытания выбросов авиационных двигателей и изучила формы и внутреннюю структуру частиц выхлопных газов с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии. Исследовательская группа идентифицировала новые луковичные (множественные концентрические сферические кристаллические слои) частицы и аморфные (некристаллические) частицы, в дополнение к хорошо известной саже в выхлопах авиационных двигателей. Частицы выхлопа, как правило, были очень маленькими (приблизительно 10–20 нм в диаметре ) и одиночными сферическими частицами. Хотя детальные физико-химические свойства луковицеобразных частиц в настоящее время неизвестны, их поведение в атмосфере и организме может отличаться от поведения других частиц. Поэтому необходимы дальнейшие исследования для оценки их потенциального воздействия на климат и здоровье.
Научная работа опубликована в журнале ACS ES&T Air .
Самолеты выбрасывают наночастицы (диаметром <50 нм) в атмосферу, от земли до верхней тропосферы. Исследования в Европе, США и Японии выявили высокие концентрации частиц в аэропортах и вокруг них, и во всем мире существует обеспокоенность относительно воздействия на здоровье человека. Также известны эффекты нагревания атмосферы, вызванные инверсионными следами, образующимися из частиц выхлопных газов самолетов, и проводятся исследования для оценки их потенциального воздействия на климат. В выбросах частиц турбовентиляторных реактивных двигателей, которые обычно используются в гражданской авиации, обычно преобладают летучие частицы (сульфат или органика), а не нелетучие частицы (в основном сажа). Однако механизмы выбросов и образования летучих частиц изучены недостаточно.
Исследовательская группа изучила физико-химические свойства наночастиц выхлопных газов самолетов (летучих и нелетучих), чтобы получить информацию о механизмах эмиссии и образования летучих частиц. Исследователи измерили морфологию и внутреннюю (микрофизическую) структуру выхлопных частиц на выходе из двигателя и на расстоянии 15 м ниже по потоку коммерческих турбовентиляторных реактивных двигателей на испытательном стенде в аэропорту Цюриха, Швейцария. Морфология и внутренняя структура частиц наблюдались с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM) с использованием объемных образцов частиц, собранных на тонких пленках. Было обнаружено четыре типа частиц выхлопных газов авиадвигателей с различной внутренней структурой. Тип (а) представлял собой турбостратные частицы с рассеивающе-слоистыми графеноподобными структурами и считался типичным для сажи (нелетучие частицы). Тип (b) состоял из луковичных частиц с частичными графитоподобными структурами, которые представляют собой хорошо упорядоченные графеноподобные сферические мультислои. Частицы типа (c) были аморфными (некристаллическими), а тип (d) представлял собой следы аморфных частиц (изображения тонкие и некристаллические).
До этого исследования частицы, похожие на луковицу, не были идентифицированы в выхлопных газах сгорания или атмосфере. Хотя графитовая сажа с турбостратной структурой, выбрасываемая самолетами, изучалась в течение многих лет, три других типа частиц были идентифицированы впервые в этом исследовании. Доля турбостратных (сажевых) частиц была высокой на выходе из двигателя и ниже 1% на расстоянии 15 м ниже по течению. Пятнадцатью метрами ниже по течению оставшаяся фракция доминировала в виде луковиц, аморфных и следовых аморфных частиц. Эти три типа частиц были в основном одиночными (неагломерированными, сферическими частицами диаметром 10–20 нм). Дальнейший анализ показал, что эти три типа частиц представляют собой летучие частицы, образующиеся в результате зародышеобразования и конденсации на выходе из двигателя, и в основном состоят из органических соединений, образующихся из смазочного масла. Эти уникальные внутренние структуры могут влиять на физико-химические свойства частиц, включая летучесть, поверхностную реакционную способность и растворимость, а также потенциально влиять на взаимодействие частиц с дыхательными путями человека.
Исследовательская группа обнаружила, что самолеты выбрасывают лукообразные, аморфные и следовые аморфные частицы в дополнение к частицам сажи. Однако существует много вопросов относительно физико-химических характеристик, происхождения и механизма образования лукообразных частиц, а также того, похожи ли они по своей природе на сажу или летучие органические частицы, такие как масляный туман. Частицы, похожие на луковицу, могут иметь иную динамику в атмосфере и организме по сравнению с другими частицами; поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять их влияние на климат и здоровье.
В области наноматериалов, лукоподобные частицы синтезируются путем применения высокой энергии к саже, среди прочих методов. Механизм образования лукоподобных частиц из авиационных двигателей интересен с научной точки зрения и имеет потенциальные последствия в области материалов и других областях.
Дополнительная информация: Акихиро Фушими и др., Уникальные микрофизические структуры сверхтонких частиц, выбрасываемых турбовентиляторными реактивными двигателями, ACS ES&T Air (2025). DOI: 10.1021/acsestair.4c00309
Предоставлено Национальным институтом исследований окружающей среды
Исследуйте дальше-Ученые изучают образование инверсионных следов, чтобы уменьшить воздействие на климат