从远古人类学会用火开始,火,就与人类文明的发展密切联系在了一起。不过,人类对待火的态度却很复杂,它不仅有温暖光明的一面,同样还有狂暴黑暗的一面。2019年4月15日下午,法国巴黎圣母院发生火灾,这一世界级人类文化遗产受损严重;再之前一年的2018年,巴西国家博物馆发生大火,博物馆中的大量藏品付之一炬。除了建筑火灾,每年发生在野外的森林火灾也一样会造成巨大的危害。
法国巴黎圣母院火灾。图片来源于网络
要想控制火,首先要了解火。虽然火看起来再简单不过,甚至连小学生都知道火的产生需要氧气和可燃物,但实际上,科学界时至今日对于火的理解仍然少的可怜。早在170年前,“电学之父”迈克尔·法拉第(Michael Faraday)便从科学的角度为听众阐述了蜡烛的燃烧(The Chemical History of a Candle)。就蜡烛的燃烧而言,形成的是扩散火焰(diffusion flame),燃烧仅发生在燃料与空气之间的界面上,该区域称为反应区,而火焰内部本身则是完全无氧的环境。事实上,蜡烛的可燃物是石蜡(熔点49-51 ℃,沸点300-550 ℃),点燃时石蜡首先溶解,然后再在超过沸点的温度下气化,气体燃烧产生的高温让气体分子进入激发态,激发态的分子会发生电子跃迁,能量以光的形式释放出来,这是一种发光现象。除此之外,还有另一种发光现象:等离子发光。燃烧过程也会产生等离子态的物质,等离子态分子非常不稳定,由等离子态变为气态的过程也会发光。我们肉眼所见的蜡烛火焰其实就是这两种发光现象的综合。
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前面的描述在本质上忽略了很多化学细节,燃烧是一个非常复杂的化学反应过程。以最简单的碳氢化合物——甲烷的燃烧为例,反应式很简单:CH4+ 2O2→ CO2+2H2O,但这省略了各种基元反应,只表现了反应最初和最后的整体情况。这一过程实际上包括以不同速率发生的数百种不同化学反应,产生数百种不同的中间体和副产物。这些反应速率取决于温度,而温度在整个火焰中都存在巨大的变化。此外,燃烧的副产物包括烟黑(soot),它是一种具有相当大热容量的固体,也会被加热并发光,这就让燃烧过程更为复杂。2018年,美国桑迪亚国家实验室的Hope Michelsen和Olof Johansson等研究者结合实验和理论计算等手段,发现气态燃料转变为烟黑颗粒这一过程本身也非常复杂,包括自由基与烃类物质间的加成反应,以及通过共振稳定自由基机理驱动的一系列自由基链反应(Science, 2018, 361, 997,点击阅读详细)。相关工作能发表在顶级期刊Science 上,也从某种程度上说明了燃烧相关研究取得重大突破有多受关注。可能也正因为发生了如此复杂多样的反应,产生了如此复杂多样的中间体和副产物,火才那么难以被科学家们琢磨清楚。
火焰中共振稳定自由基驱动烟黑颗粒的形成。图片来源:美国桑迪亚国家实验室
除了传统的明黄色火焰,科学家们也在研究新的火焰状态。马里兰大学的科学家发现了一种由传统的黄色火焰旋涡(fire whirl)进化而来的蓝色火焰旋涡(blue whirl),燃烧更彻底,效率更高,几乎不会产生常规燃烧常见的副产物烟黑,称得上是清洁型燃烧(PNAS, 2016, 113, 9457,点击阅读详细)。
蓝色火焰旋涡。图片来源:马里兰大学
有研究燃烧的,就有研究如何抑制燃烧的。水可以灭火,这大家都知道,但有些环境下却不适合直接喷水,比如电气火灾等。人们为此发明了二氧化碳、干粉、泡沫等多种灭火器。美国宾夕法尼亚州立大学Kyle J. M. Bishop等人另辟蹊径,从火焰中存在的等离子体入手。他们创建了一个振荡电场,并通过该电场驱动的点平面电晕放电形成了稳定气流,他们称之为“电风(electric wind)”(J. Appl. Phy., 2013, 114, 143302)。这一过程被他们用于在实验室中扑灭约1米高的火焰。不过,在现实世界中如果想用这种电风扑灭火焰,所需的电场强度太高而难以实现。此外,他们还利用声波(55-60 Hz,约130分贝)来阻碍空气进入火焰,从而让火焰的反应区“窒息”。同样,这种脑洞大开般的方法要用在现实世界中仍有不少的路要走。
除了火焰和高温会带来伤害,火灾中由于起火物和环境因素的不同,还会产生各种各样的有害气体及烟尘。美国是饱受山火肆虐威胁的国家,山火不仅会烧毁森林,还会产生巨量烟尘污染空气。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的Firex项目虽然确定了烟尘中呋喃类化合物形成的化学机理 [1],但仍有大部分反应是未知的。2010年,研究人员发现火灾产生的NOx中异氰酸(HNCO)占比约30%,仍存在大量影响建模的未知半挥发性有机化合物。即便鉴定出它们,它们如何产生、如何变化、如何受周围环境影响,都不是容易研究的课题。除了火灾,在不少国家——尤其是发展中国家,农业生产中会人为放火焚烧农田上的秸秆,以便于下一次耕种,如果能理解环境因素对于燃烧产物的影响,就可以尽可能的减少秸秆焚烧对空气质量的影响。
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