a) HAADF-STEM-bilder av replikfilmer framställda från prover #1, #2, #11, och #13 av tetra-n-butylammonium 3-metylpentanoat (TBA-3MP) vattenhaltiga lösningar. I prover #11 och #13, silver-nanopartiklar på 5-10 nm tvärs observerades. I prov #13, som inkluderade både silvernanopartiklar och F-anjoner, 10-30 nm-kluster existerade även vid 281 K. Med ytterligare temperaturminskningar, klusterens antalstäthet ökade, och sedan kristalliserade TBA-3MP semiklatrathydrat med en liten grad av underkylning. b) SE-STEM-bild av ett annat område av samma film som ”13-a” i panel a). Kluster av storlek 10-30 nm omsluter en silver-nanopartikel (svarta prickar indikerade med röda pilar) Kredit:T. Sugahara/Osaka University och H. Machida/Panasonic Corporation
Forskare vid Osaka University, Panasonic Corporation, och Waseda University använde skanningelektronmikroskopi (SEM) och röntgenabsorptionsspektroskopi för att bestämma vilka tillsatser som inducerar kristallisation i underkylda vattenlösningar. Detta arbete kan leda till utveckling av nya energilagringsmaterial baserade på latent värme.
Om du lägger en flaska vatten i frysen, du kommer att förvänta dig att dra ut en solid iscylinder efter några timmar. Dock, om vattnet har mycket få föroreningar och lämnas ostört, det får inte frysas, och förblir istället som en superkyld vätska. Var försiktig, eftersom detta tillstånd är mycket instabilt, och vattnet kristalliserar snabbt om det skakas eller om föroreningar tillsätts - vilket många YouTube -videor kommer att intyga. Superkylning är ett fenomen där en vattenlösning bibehåller sitt flytande tillstånd utan att stelna, även om temperaturen ligger under fryspunkten. Även om många studier har gjorts på tillsatser som utlöser frysning av överkylande vätskor, detaljerna om mekanismen är okända. En potentiell tillämpning kan vara latent värmelagringsmaterial, som förlitar sig på frysning och smältning för att fånga upp och senare släppa ut värme, som ett återanvändbart frysförpackning.
Nu, ett team av forskare under ledning av Osaka University har visat att silvernanopartiklar är mycket effektiva för att framkalla kristallisation i klatrathydrat. Clathrate-hydrater ser fysiskt ut som is och består av vätebundna vattenburar med gästmolekyler inuti. "Använda SEM med frysfrakturreplikationsmetoden, vi fångade ögonblicket när ett begynnande kluster omslöt en silver -nanopartikel i den vattenhaltiga lösningen av latent värmelagringsmaterial, "förklarar motsvarande författare professor Takeshi Sugahara. Detta sker eftersom nanopartiklarna fungerar som ett" frö, "eller kärnbildningsplats, för att små kluster ska bildas.
När detta väl har börjat, de återstående lösta och vattenmolekylerna kan snabbt bilda ytterligare kluster och sedan leder klusterförtätning till kristallisationen. Forskarna fann att medan silvernanopartiklar tenderade att påskynda bildandet av dessa kluster, andra nanopartiklar av metall, såsom palladium, guld, och iridium främjar inte kristallisation. "Den överkylande undertryckande effekten som erhålls i denna studie kommer att bidra till att uppnå praktisk användning av klatrathydrat som latent värmelagringsmaterial, "Säger professor Sugahara. Riktlinjer för materialdesign för förbättrad överkylningskontroll, som beskrivs i denna studie, kan leda till tillämpning av latent värmelagringsmaterial i solenergi och värmeåtervinningsteknik med förbättrad effektivitet.
