Comprendre la naissance des nanoparticules de carbone dans une flamme

Comment une flamme produit-elle les premières nanoparticules de carbone à l’origine des suies ? Les mécanismes généraux de combustion sont aujourd’hui bien connus. Les toutes premières étapes de formation de ces particules restent, en revanche, encore difficiles à caractériser, car l’environnement réactif de la flamme est extrêmement chaud et complexe. Une équipe réunissant des chercheurs et ingénieurs de l’Université de Lille, du CNRS et de la George Washington University s’est intéressée à cette étape clé.

Les scientifiques ont étudié une flamme d’éthylène et ont cherché à identifier les molécules présentes au moment où apparaissent les premières nanoparticules. Pour y parvenir, ils ont combiné plusieurs techniques de caractérisation : microscopie électronique à balayage, spectrométrie de masse ToF-SIMS, spectroscopie Raman et spectroscopie de photoélectrons (XPS). Le croisement de ces différentes informations permet d’étudier simultanément la morphologie, la composition chimique et la structure des particules.

Les résultats montrent notamment que de grandes molécules aromatiques ne sont pas nécessaires à la formation des nanoparticules. Plusieurs petites espèces moléculaires, compatibles avec des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et leurs dérivés, apparaissent comme les éléments nécessaires à la création des nanoparticules.

À noter que certains HAP sont des polluants préoccupants pour la santé humaine et l’environnement.

Les observations sont notamment cohérentes avec un mécanisme dit « d’initiation physique et chimique combinée ». Selon cette hypothèse, de petites molécules, deux HAP par exemple, peuvent d’abord s’associer grâce à de faibles interactions physiques. Ils s’attirent, comme deux aimant, l’assemblage reste fragile. Celui-ci pourrait ensuite être rapidement stabilisé par la formation d’une liaison chimique entre deux atomes de carbone. Cette « soudure » moléculaire transforme alors l’assemblage initial en une structure plus stable, susceptible de poursuivre sa croissance.

Cette étude apporte ainsi de nouveaux éléments pour comprendre les premières étapes de la formation des suies et fournit des données précieuses pour améliorer les modèles de simulation de leur formation. À plus long terme, une meilleure compréhension de ces mécanismes pourrait contribuer au développement de stratégies permettant de limiter la formation de particules issues de la combustion, dans les moteurs, les turbines ou encore les brûleurs industriels.

Cette recherche s’inscrit pleinement dans les objectifs de CHEMACT, qui soutient le développement et la mutualisation d’équipements de caractérisation avancée au sein de l’écosystème « Chimie-Matériaux » de l’Université de Lille.