Optothermal Raman thermometry resolves grain-scale conductivity and aromatic ordering across the coal rank series

Il carbone è molto più di una semplice roccia nera bruciata per produrre calore; è un materiale naturale complesso che funge da punto di partenza per tutto, dalla generazione di elettricità ai componenti avanzati per le batterie. Per capire come il carbone si comporta quando viene riscaldato, gasificato o trasformato in altri materiali, gli scienziati devono sapere quanto bene trasmette il calore. Per decenni, il modo standard per misurare questo movimento del calore è stato quello di prendere un grosso pezzo di carbone, triturarlo, pressarlo in un blocco o lavorarlo in una forma specifica. Questi metodi forniscono un numero singolo per l'intero campione, ma nascondono una realtà cruciale: il carbone non è uniforme. All'interno di un singolo granello di carbone, ci sono minuscole porosità, diversi tipi di materia organica e inclusioni minerali che interagiscono per rallentare o accelerare il flusso di calore. Poiché i vecchi metodi mescolano tutti questi fattori insieme, è stato impossibile vedere come il calore viaggi attraverso i veri, minuscoli blocchi costruttivi del carbone stesso, o comprendere come la struttura interna della roccia cambi man mano che diventa più "matura" nel corso di milioni di anni.

Un team di ricercatori ha ora risolto questo problema osservando i singoli granelli di carbone senza alterarli in alcun modo. Hanno studiato tre tipi distinti di carbone: l'antracite, che è la più dura e matura; la semi-antracite, che è una via di mezzo; e la lignite, che è più tenera e meno matura. Invece di pressare queste rocce in blocchi, hanno posizionato singoli granelli non lucidati su un vetrino e hanno utilizzato una tecnica laser altamente sensibile. Questo metodo funziona focalizzando un sottile fascio di luce sulla superficie di un granello. La luce agisce sia come riscaldatore che come termometro. Mentre il laser riscalda il punto, i ricercatori hanno misurato come cambia il colore della luce riflessa dal carbone. Questo spostamento dice loro esattamente quanto sia diventato caldo quel minuscolo punto. Osservando quanto velocemente la temperatura saliva all'aumentare della potenza del laser, potevano calcolare quanto velocemente il granello fosse in grado di allontanare quel calore e diffonderlo. Ciò ha permesso loro di misurare la conducibilità termica del granello stesso, libero dall'interferenza di sacche d'aria o dall'attrito tra i diversi pezzi di carbone.

I risultati hanno rivelato una differenza sorprendente tra ciò che accade all'interno di un singolo granello e ciò che accade in un grande blocco di carbone. I ricercatori hanno scoperto che i singoli granelli conducono il calore molto meglio dei valori del carbone in massa solitamente riportati nei libri di testo. Infatti, i granelli erano da uno a due ordini di grandezza più efficienti nel trasportare il calore. Tra i tre tipi, il granello di antracite conduceva il calore circa tre volte meglio del granello di semi-antracite. Tuttavia, il granello di lignite era il più efficiente di tutti, mostrando la conducibilità più alta del gruppo. Questo potrebbe sembrare controintuitivo, poiché la lignite è il carbone meno maturo, ma i ricercatori hanno spiegato che ciò è dovuto al fatto che il granello di lignite era coperto da ammassi sciolti ricchi di volatili e aveva una rete di pori molto aperta e irregolare. Queste caratteristiche hanno permesso al calore di sfuggire attraverso meccanismi diversi dalla semplice conduzione attraverso la roccia solida, gonfiando efficacemente la misurazione. Al contrario, il granamente di semi-antracite, che conteneva la maggiore quantità di umidità, era il peggiore nel condurre il calore, dimostrando che la struttura interna e le condizioni superficiali del granello determinano come si muove il calore, non solo la composizione chimica.

Per capire perché esistessero queste differenze, il team ha combinato le misurazioni del calore con un'analisi dettagliata della struttura interna del carbone e della sua chimica superficiale. Hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia Raman per analizzare la disposizione degli atomi di carbonio all'interno dei granelli. Hanno scoperto che, man mano che il carbone matura da lignite ad antracite, gli atomi di carbonio si organizzano in fogli piatti più grandi e ordinati. Questa organizzazione strutturale era direttamente collegata a quanto bene il materiale conducesse il calore. Più ordinata era la struttura del carbonio, più efficientemente il calore viaggiava attraverso di essa, una relazione che si è mantenuta vera per i granelli di antracite e semi-antracite. I ricercatori hanno anche mappato il potenziale elettrico sulla superficie dei granelli e hanno scoperto che l'antracite più matura presentava una gamma di variazioni elettriche superficiali molto più ampia rispetto alla semi-antracite. Ciò indicava che il carbone maturo aveva domini distinti e grandi di carbonio organizzato, mentre il carbone meno maturo era chimicamente più uniforme.

Forse la scoperta più significativa è stata che i ricercatori potevano prevedere le proprietà chimiche globali del carbone semplicemente guardando un singolo granello. Hanno scoperto una relazione diretta e lineare tra l'ampiezza di un segnale specifico nella loro analisi laser e la quantità di materia volatile nel carbone. La materia volatile è una misura chiave utilizzata dall'industria per determinare come il carbone brucerà o diventerà coke. Misurando la struttura di un singolo granello, potevano stimare accuratamente le proprietà globali dell'intero campione di carbone. Ciò suggerisce che l'architettura interna del granello di carbone è il principale motore del suo comportamento. Lo studio ha anche evidenziato un grave difetto nei test tradizionali: il processo di pressatura del carbone in blocchi per la misurazione introduce una resistenza di contatto e intrappola l'umidità, il che abbassa drasticamente la conducibilità misurata. Il nuovo metodo, che non richiede preparazione, mostra che la sostanza stessa del carbone è un conduttore molto migliore di quanto precedentemente ipotizzato, e che la resistenza incontrata nelle applicazioni reali deriva in gran parte dagli spazi e dall'architettura tra i granelli, non dai granelli stessi.

Questo lavoro fornisce un quadro più chiaro di come il carbone si comporta alla scala in cui avviene la sua chimica. Misurando il flusso di calore, l'ordine strutturale e le proprietà superficiali di granelli non preparati, i ricercatori hanno collegato il mondo microscopico degli atomi di carbonio alle proprietà macroscopiche che gli ingegneri usano per progettare centrali elettriche e batterie. Hanno dimostrato che il modo in cui il carbone conduce il calore è governato dalle dimensioni e dall'organizzazione delle sue strutture di carbonio, e che le misurazioni globali tradizionali spesso perdono il vero potenziale del materiale perché sono dominate dagli spazi tra le particelle. Sebbene lo studio si sia concentrato solo su tre tipi di carbone, il metodo offre un potente nuovo strumento per comprendere non solo il carbone, ma qualsiasi materiale o combustibile a base di carbonio, permettendo agli scienziati di vedere la vera natura termica e strutturale del materiale senza la distorsione della preparazione del campione.