Кухонная газовая плита горит голубым пламенем, но если разогреть метан сильнее и без доступа воздуха, он распадается на водород и чёрный порошок — ту самую сажу, из которой делают шины и тонер для принтеров. В лаборатории вместо плиты используют ударную трубу: волна сжатия за доли миллисекунды поднимает температуру до 1850–2450 кельвинов, и молекулы метана разваливаются на части.
Лазерные лучи просвечивают горячий газ и показывают, сколько в нём осталось метана и сколько появилось промежуточных молекул — этилена и ацетилена. Одновременно два луча разной длины волны (633 и 1064 нанометра) следят за рождением твёрдых частиц: чем больше сажи, тем сильнее гаснет свет. Так удаётся увидеть, как быстро зарождаются первые зародыши и как они растут.
После опыта сажу собирают со стенок трубы и рассматривают в электронный микроскоп. Компьютерная программа сама находит на снимках тысячи частиц и измеряет их диаметры. Оказалось, что при высокой температуре частицы почти не слипаются друг с другом, поэтому остаются маленькими, зато их внутренний порядок выше. Это важно для заводов: от размера и структуры сажи зависит, насколько прочной будет резина или насколько чёрным — тонер.
Модели, которые предсказывают поведение газа, хорошо справляются с простыми молекулами, но расходятся в оценках количества крупных ароматических соединений — предшественников сажи. Связав газовую химию с ростом частиц, учёные получили эталонные данные для проверки программ. Теперь инженеры смогут точнее рассчитывать реакторы, где метан превращается в водород и сажу без выброса углекислого газа.
В ударной трубе газ разогревается до 2450 кельвинов — это горячее, чем поверхность многих звёзд, но длится такой нагрев меньше миллисекунды.