Автор AZoNano 29 июня 2021 г.

Ученые из Университета Осаки, Panasonic Corporation и Университета Васеда использовали сканирующую электронную микроскопию (SEM) и рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, чтобы определить, какие добавки вызывают кристаллизацию в переохлажденных водных растворах. Эта работа может привести к разработке новых материалов для хранения энергии на основе скрытого тепла.

Если вы поместите бутылку воды в морозильную камеру, через несколько часов вы сможете вытащить твердый цилиндр со льдом. Однако, если в воде очень мало примесей и ее не трогать, она не может быть заморожена, а вместо этого останется переохлажденной жидкостью. Будьте осторожны, потому что это состояние очень нестабильно, и вода будет быстро кристаллизоваться при встряхивании или добавлении примесей – о чем свидетельствуют многие видеоролики YouTube. Переохлаждение – это явление, при котором водный раствор сохраняет свое жидкое состояние без затвердевания, даже если его температура ниже точки замерзания. Хотя было проведено множество исследований добавок, вызывающих замерзание переохлажденных жидкостей, детали механизма неизвестны. Одним из возможных применений могут быть материалы, аккумулирующие скрытую теплоту, которые используют замораживание и плавление для улавливания и последующего выделения тепла, как многоразовая упаковка для замораживания.

Группа исследователей под руководством Университета Осаки показала, что наночастицы серебра очень эффективны в индукции кристаллизации в клатратных гидратах. Клатратные гидраты физически выглядят как лед и состоят из водных клеток с водородными связями с гостевыми молекулами внутри. «Используя SEM с методом замораживания-разрушения, мы зафиксировали момент, когда возникающий кластер окружал наночастицу серебра в водном растворе материалов, аккумулирующих скрытую теплоту», – объясняет автор-корреспондент профессор Такеши Сугахара . Это происходит потому, что наночастицы служат «затравкой» или местом зарождения крошечных кластеров. Как только это начнется, оставшиеся молекулы растворенного вещества и воды могут быстро образовать дополнительные кластеры, а затем уплотнение кластера приведет к кристаллизации. Исследователи обнаружили, что, хотя наночастицы серебра имеют тенденцию ускорять образование этих кластеров, наночастицы других металлов, таких как палладий, золото и иридий, не способствуют кристаллизации. «Эффект подавления переохлаждения, полученный в настоящем исследовании, будет способствовать практическому использованию клатратных гидратов в качестве материалов, аккумулирующих скрытую теплоту», – говорит профессор Сугахара. Рекомендации по проектированию материалов для улучшенного контроля над переохлаждением, как описано в этом исследовании, могут привести к применению материалов, аккумулирующих скрытую теплоту, в технологиях солнечной энергии и рекуперации тепла с повышенной эффективностью.

Статья «Момент начальной кристаллизации, зафиксированный на функционализированных наночастицах» была опубликована в Communications Materials по адресу DOI: https://doi.org/10.1038/s43246-021 -00171-w

Источник: https://www.osaka-u.ac.jp/en