قام باحثون من جامعة خليفة بدراسة دور المجموعات الكيميائية مؤكسدة الأسطح في التأثير على تفاعلية الجسيمات الكربونية، من خلال الاستعانة بالعديد من تقنيات التحليل المتنوعة. ووجد الباحثون أن وجود هذه المجموعات زاد من تفاعلية الجسيمات الكربونية مع الأنواع الكيميائية الأخرى المتوفرة في الغلاف الجوي. ويحظى هذا الاكتشاف بنتائج هامة تتمثل بفهم تشكل الملوثات الثانوية في الغلاف الجوي كالهباء الجوي العضوي الثانوي، والذي يتشكل من خلال تفاعلات بين الجسيمات الكربونية وغيرها من الأنواع الكيميائية.
وضم الفريق الفريق البحثي كلًا من الدكتور برابو أزاغابيلاي، عالم بحثي والدكتورة ميريللا القاضي، أستاذة مشاركة في الكيمياء والدكتور أبيجيت راج، أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية والدكتور محمد إبراهيم حسن علي، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية. ونشر الفريق نتائج الدراسة في المجلة الدولية "كومباسشن آند فليم"، وهي مجلة علمية تغطي البحوث الأساسية المتمحورة حول علوم الاحتراق.
الجدير بالذكر أن الجسيمات الكربونية هي نوع من الملوثات الجوية الناتجة عن الاحتراق غير الكامل للوقود الأحفوري والكتلة الحيوية.
وقال الدكتور محمد: "تتشكل المواد الجسيمية كالجسيمات الكربونية خلال عمليات احتراق الوقود غير الكامل، وتتكون من طبقات كربونية مستقرة وثابتة مصحوبة بمواد هيدروكربونية. وتعتبر هذه المواد ضارة بصحة الإنسان والبيئة ويمكن أن تتفاعل مع أنواع كيميائية أخرى في الغلاف الجوي".
وقد يكون هذا التفاعل مهمًا في مجال التقاط الجسيمات الكربونية في الغازات العادمة الناتجة عن محركات الديزل. ولكن عندما تتفاعل هذه الجسيمات مع مواد كيميائية أخرى في الغلاف الجوي كأكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت، تتكون الملوثات الثانوية كمادة الأوزون التي تعد المكون الرئيس للضباب الدخاني في الغلاف الجوي، وبالتالي تؤثر بشكل سلبي على صحة الإنسان والبيئة.
وتحدث جميع هذه التفاعلات نتيجة وجود مجموعات المواد الكيميائية مؤكسدة الأسطح والتي تمثل مواقع للتفاعل للأنواع الكيميائية الأخرى. فإلى جانب أكاسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت، يمكن لمجموعة المواد الكيميائية المؤكسدة أن تتفاعل مع الرطوبة في الغلاف الجوي، الأمر الذي قد يؤدي إلى تشكّل المركبات الحمضية. ويمكن أن يؤدي تفاعل الجسيمات الكربونية إلى ترسيبها وانتقالها في الغلاف الجوي، وكلما كان التفاعل أسرع زادت سرعة الترسب، مما يؤثر على جودة الهواء وصحة الأفراد في المناطق الحضرية.
وعلى صعيد آخر، يتأثر وجود المجموعات الكيميائية على أسطح الجسيمات الكربونية بعدد من العوامل تشمل ظروف الاحتراق التي تتشكل من خلالها الجسيمات الكربونية . فعلى سبيل المثال، تميل الجسيمات الكربونية التي تتكون في ظروف غنية بالوقود لأن تكون مجموعات كيميائية أكثر تأكسدًا على السطح من تلك الجسيمات التي تتشكل في ظروف ضعيفة الوقود. وتعد المجموعات الكيميائية هذه بشكل عام مجموعات تحتوي على الأكسجين وتشمل مجموعات الكربونيل والهيدروكسيل والكينون.
وتوصل الباحثون إلى أن وجود بعض المجموعات الكيميائية المؤكسدة على أسطح الجسيمات الكربونية، خاصة مجموعة الكربونيل ومجموعة الكينون، قد يساهم في زيادة تفاعلها.
وأضاف الدكتور محمد: "كشفت تجارب الأكسدة التي قمنا بها عن أن وجود المجموعات الكيميائية المؤكسدة يعزز تفاعلية الجسيمات الكربونية من خلال تقليل طاقة التنشيط اللازمة للأكسدة. وفي هذا الإطار، قد تُظهر الجسيمات الكربونية، ذات التركيز المرتفع من المجموعات المؤكسدة، تفاعلية عالية خلال الفترة الأولية من عملية الأكسدة، لكن لا يمكن لهذه المجموعات التأثير على التفاعلية الإجمالية للجسيمات بشكل كبير".
يذكر أن التفاعلات ما بين الجسيمات الكربونية وغيرها من المواد الكيميائية قد يؤثر على تركيبة الغلاف الجوي وخصائصه، الأمر الذي يسبب ضررًا كبيرًا على صحة الإنسان والبيئة. ويعتبر فهم تفاعل الجسيمات الكربونية ودور الكيمياء على سطحها أمرًا في غاية الأهمية في مجال تطوير الاستراتيجيات الفعالة التي تحد من ظاهرة التلوث الجوي وآثاره.