火的使用促進了人類文明的發展
人們對「火」非常熟悉，考古學家推測，人類早在大約100萬年以前就開始用火了，火的應用在人類文明發展史上具有極其重要的意義。火也給人們的生產和生活帶來了極大的便利，如抽煙的時候用打火機就能產生火，做飯的時候煤氣灶也能產生火，人們通過燃燒煤炭來發電等等。
火的濫用給人類帶來了災難後果
人們常說「水火無情」，火的濫用給人們帶來了巨大的損失和災難性能後果。
圖1. 2017年24層Grenfell Tower公寓樓發生火災。
2017年6月14日，倫敦北肯辛頓(North Kensington)蘭卡斯特西區(Lancaster West Estate)一棟名為格倫費爾(Grenfell Tower)的24層公寓樓發生了火災，導致72人死亡，另有70多人受傷。這是自第二次世界大戰以來英國最嚴重的住宅火災，英國首相特蕾莎梅表示：這是一場「史無前例的」大火，並下令對火災展開全面公開調查。
圖2. 2019年擁有850多年歷史的巴黎聖母院發生火災，冒出滾滾黃煙。
法國巴黎聖母院是一座歷史悠久的大教堂，2019年4月15日下午6點50分左右巴黎聖母院發生火災，著火部位位於聖母院頂部塔樓，大火迅速將聖母院塔樓的尖頂吞噬，很快這座擁有850多年歷史的建築被付之一炬。聖母院著火時冒出了滾滾黃煙，這是由於屋頂數百噸鉛融化造成的，事後巴黎警方要求周圍居民清理一下自家房屋，以免鉛中毒。直到9月，《紐約時報》的一項調查顯示，聖母院周圍的塵埃濃度依然超標1300倍，範圍涵蓋了巴黎市中心的大部分地區。
圖3. 2019年美國加利福尼亞州大火。
2019年10月，美國加利福尼亞州發生大火，加州58個縣，有43個縣發生大面積火災，18萬居民緊急撤離。2019年，美國共發生50,477場野火，過火面積超過18,600平方公里，雖然這已經是近五年來的最低水平，但2019年滅火費用依然高達30億美元。
法拉第跨界科普蠟燭的燃燒
人們對火、燃燒已經習以為常了，但是真正從科學的角度來解釋什麼是火，為什麼會發生燃燒以及怎麼燃燒仍然知之甚少，雖然人類為之探索了數百年。
第一位從科學角度闡述燃燒的科學家是麥可·法拉第（Michael Faraday），沒錯，就是那位「電學之父」。他在170年前為青少年作了名為《蠟燭的化學史》的科普講座，其間就提到燃燒發生的必要條件就是燃料、空氣和引火源。在蠟燭燃燒過程中，蠟燭頂端會形成一個杯狀凹形區域，隨著空氣進入蠟燭周圍，空氣會被蠟燭產生的熱流向上推，蠟燭的各個側面都在空氣的包圍中被冷卻，邊緣部分比中心更冷，離火焰較近的蠟燭就會熔化。如果我們只讓氣流從一個方向流動，那麼蠟燭形成的凹形杯子就會傾向一方，而液態的蠟燭油就會溢出來。如果蠟燭不能形成這種杯狀凹形區域的話，就很難燃燒。
最簡單的碳氫化合物燃燒產生了最複雜的化學反應
圖4. 燃燒的複雜性。
經過170多年的探索，人們對燃燒的認識更近了一步。人們發現蠟燭的燃燒為擴散火焰，蠟燭被加熱後由固態變為液態，再汽化生成可燃的石蠟蒸氣，燃燒僅發生在燃料與空氣之間的介面處，該區域稱為反應區，深度約為200μm，火焰內部是完全無氧的環境。
蠟燭火焰可以分為三層：外焰、內焰、焰心，焰心主要為蠟燭蒸氣，溫度最低；內焰燃燒不充分，溫度比焰心高，會生成部分碳粒；外焰與空氣充分接觸，火焰最明亮，燃燒充分，溫度也最高。
義大利帕爾馬大學副教授Ludovico Cademartiri認為燃燒是一個非常複雜的化學反應過程，以最簡單的碳氫化合物甲烷和氧氣的燃燒為例，根據溫度的不同，它們的反應速度會有數百種之多，當以不同速率發生燃燒反應時，會產生數百種中間產物和副產物，溫度在整個火焰區域的差別非常巨大，除了氣態產物，燃燒還會產生固態的煙灰。也就是說，僅僅甲烷和氧氣這兩種物質就能產生數百種不同的反應，而每種反應都能生成數百種氣態和固態中間產物或者副產物，這還不包括燃燒中人們未知的產物。
煙霧成分異常複雜
加州理工學院克里斯塔爾·巴斯克斯（Krystal Vasquez）博士參與了一項加州大火煙霧採樣及化學組成的研究，該研究由NASA、美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）與40多個合作機構共同發起。他們將飛行時間電離質譜儀固定在飛機上進行實時採樣，發現燃燒生產的煙霧中有氣溶膠、氮氧化物（NOx）、碳氫化合物、呋喃類化合物以及異氰酸，還有眾多無法確定的有機化合物，其中異氰酸在NOx中的占比高達30％，雖然了解了煙霧的部分化學組成，但是這些化合物是如何形成的還是個未知之謎。
巴斯克斯還認為野火產生的這些化合物在很大程度上取決於火的特性和相對濕度，也就是說哪些物質著火了，著火時的空氣流通情況對煙霧的成分影響顯著，甚至是滅火時消防員採用了哪種滅火劑都會影響煙霧的組成。
只能出現在漫畫世界中的電場滅火
人們之所以會研究火以及燃燒，還是為了更好的加以利用，以及發生火災時更及時的滅火。美國哈佛大學的卡德馬蒂里（Cademartiri）與喬治·懷特塞德斯（George Whitesides）實驗室和美國國防高級研究計劃局（US Defence Advanced Research Projects Agency）一起開展了阻燃的研究工作，共同研究在不加入阻燃劑的情況下如何滅火。他們發現碳氫化合物燃燒過程中會產生離子和電子等離子體，這些等離子體同時也成為火焰的一部分，於是他們建立了一個振蕩的、高強度電場，在人為製造的封閉空間內這一方法可以撲滅大約一米高的火焰。但是在現實世界中，這種方法需要的電場強度過高而難以實現，以至於現有技術只能撲滅幾厘米高的火焰。
雖然這種方法在現實世界無法實現，但是卻受到DC漫畫公司的青睞，公司旗下的超級女英雄拉娜·藍（Lana Lang）正是採用這種方法撲滅了大火，擊敗了大反派萊克斯·盧瑟（Lex Luthor）。
卡德馬蒂里的研究小組還在嘗試利用聲波來切斷空氣進入火焰反應區，他們發現55-60Hz之間的低頻聲波效果較好，強度大約130分貝。但是用這種方法來滅野火依然任重而道遠。
小結
火在人們生活中必不可少，給人們帶來便利的同時，如果不能很好的控制，也會給人類帶來嚴重的災難。從170年前，電學之父法拉第給人們科普蠟燭燃燒開始，科學家就一直在探索火及燃燒現象。人們發現蠟燭的燃燒區域深度約為200μm，火焰內部是完全無氧的環境。甲烷和氧氣的燃燒根據溫度的不同，反應速度會有數百種之多，當以不同速率發生燃燒反應時，會產生數百種中間產物和副產物。煙霧的化學成分在很大程度上取決於火的特性和相對濕度，其中有氣溶膠、氮氧化物（NOx）、碳氫化合物、呋喃類化合物以及異氰酸，異氰酸在NOx中的占比高達30％，還有眾多無法確定的有機化合物。高強度震盪電場雖然可以消滅封閉環境中的火災，但是在現實世界中仍然力不從心，聲波滅火距離實際應用也有漫長的路要走。
作者簡介
Kit Chapman，知名科學記者，出生於英國，布拉德福德大學藥劑學碩士，桑德蘭大學科學歷史和哲學在讀博士。曾是《Chemistry World》編輯，在《Nature》、《New Scientist》、《The Daily Telegraph》、《Chemist+Druggist》和《BBC Science Focus》等雜誌發表多篇文章上。
來源：高分子科學前沿