a) Immagini HAADF-STEM di film replica preparati dai campioni n. 1, #2, #11, e #13 di soluzioni acquose di tetra-n-butilammonio 3-metilpentanoato (TBA-3MP). Nei campioni #11 e #13, sono state osservate nanoparticelle d'argento di 5-10 nm di diametro. Nel campione #13, che includeva sia nanoparticelle d'argento che anioni F, Esistevano cluster di 10-30 nm anche a 281 K. Con ulteriori diminuzioni della temperatura, la densità numerica dei cluster è aumentata, e poi TBA-3MP semiclatrato idrato cristallizzato con un piccolo grado di sottoraffreddamento. b) Immagine SE-STEM di un'area diversa della stessa pellicola come “13-a” nel pannello a). Cluster di dimensioni 10-30 nm avvolgono una nanoparticella d'argento (punti neri indicati da frecce rosse) Credito:T. Sugahara/Osaka University e H. Machida/Panasonic Corporation
Scienziati dell'Università di Osaka, Panasonic Corporation, e la Waseda University hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia di assorbimento dei raggi X per determinare quali additivi inducono la cristallizzazione in soluzioni acquose super raffreddate. Questo lavoro potrebbe portare allo sviluppo di nuovi materiali per lo stoccaggio dell'energia basati sul calore latente.
Se metti una bottiglia d'acqua nel congelatore, ti aspetterai di estrarre un solido cilindro di ghiaccio dopo poche ore. Però, se l'acqua ha pochissime impurità e lasciata indisturbata, potrebbe non essere congelato, e invece rimangono come un liquido super raffreddato. Stai attento, perché questo stato è molto instabile, e l'acqua si cristallizzerà rapidamente se agitata o se vengono aggiunte impurità, come attestano molti video di YouTube. Il superraffreddamento è un fenomeno in cui una soluzione acquosa mantiene il suo stato liquido senza solidificarsi, anche se la sua temperatura è al di sotto del punto di congelamento. Nonostante siano stati fatti molti studi sugli additivi che innescano il congelamento dei liquidi sottoraffreddanti, i dettagli del meccanismo sono sconosciuti. Una potenziale applicazione potrebbe essere materiali di accumulo di calore latente, che si affidano al congelamento e allo scioglimento per catturare e poi rilasciare calore, come un pacco freezer riutilizzabile.
Ora, un team di ricercatori guidati dall'Università di Osaka ha dimostrato che le nanoparticelle d'argento sono molto efficaci nell'indurre la cristallizzazione negli idrati di clatrato. Gli idrati di clatrato assomigliano fisicamente al ghiaccio e sono composti da gabbie d'acqua legate all'idrogeno con molecole ospiti all'interno. "Utilizzando SEM con il metodo di replica della frattura congelata, abbiamo catturato il momento in cui un cluster nascente ha avvolto una nanoparticella d'argento nella soluzione acquosa di materiali di accumulo di calore latente, ", spiega l'autore corrispondente, il professor Takeshi Sugahara. Ciò si verifica perché le nanoparticelle fungono da "seme, " o sito di nucleazione, per la formazione di piccoli grappoli.
Una volta che questo inizia, le rimanenti molecole di soluto e acqua possono formare rapidamente ulteriori cluster e quindi la densificazione dei cluster porta alla cristallizzazione. I ricercatori hanno scoperto che mentre le nanoparticelle d'argento tendevano ad accelerare la formazione di questi cluster, altre nanoparticelle metalliche, come il palladio, oro, e l'iridio non promuovono la cristallizzazione. "L'effetto di soppressione del superraffreddamento ottenuto nel presente studio contribuirà a raggiungere l'uso pratico degli idrati di clatrato come materiali di accumulo di calore latente, " Afferma il professor Sugahara. Linee guida per la progettazione dei materiali per un migliore controllo del sottoraffreddamento, come descritto in questo studio, può portare all'applicazione di materiali di accumulo del calore latente nell'energia solare e nelle tecnologie di recupero del calore con una maggiore efficienza.
