فناوری ذخیره‌سازی گرما با استفاده از نانوذرات نقره توسعه یافت

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، با همکاری بخش صنعت و دانشگاه در ژاپن مشخص شد که سرعت نزدیک شدن مولکول‌های آب به یکدیگر و تشکیل بلور‌های یخ بسته به تشکیل «بذر هسته» تفاوت داشته و به این دلیل است که سرعت یخ زدن در این ساختار‌ها متفاوت است.

از طریق آزمایش‌های تصویربرداری با وضوح بالا، تیمی از شرکت پاناسونیک، دانشگاه اوزاکا و دانشگاه واسدا دریافتند که تبلور در مواد پایه آب با افزودن نانوذرات نقره تسریع می‌شود. مشکلات متبلور شدن آب اثر منفی در خنک‌سازی داشته و اغلب در فرآیند‌های صنعتی ناخوشایند است. این اکتشافات می‌تواند زمینه‌ساز پیشرفت در مواد ذخیره‌کننده گرما باشد.

وقتی آب در زیر نقطه انجماد می‌رسد، مولکول‌ها به سرعت شروع به جمع شدن در اطراف ناخالصی‌های مایع می‌کنند. از طریق فرآیند هسته‌سازی، این خوشه‌ها بزرگتر و متعدد می‌شوند، در نهایت با هم ترکیب شده و بلور‌های یخ جامد را تشکیل می‌دهند. وقتی آب حاوی ناخالصی‌های کمی باشد، می‌توان هسته‌زایی را مهار کرد و در هنگام خنک شدن این هسته‌های اندک موجود در سیال، بدون مزاحمت باقی می‌ماند و به مایع امکان می‌دهد تا حالت مایع را حتی زیر نقطه انجماد خود حفظ کند.

این اثر فوق خنک‌کننده می‌تواند عملکرد مواد ذخیره‌کننده حرارت را مختل کند. در این سیستم‌ها، گرما می‌تواند بدون تغییر دمای جامدات پایه آب فریز شده، از این مواد جامد استخراج شده یا در آن‌ها ذخیره شود. اما اگر مواد مایع زیر نقطه انجماد رایج خود باشند، نمی‌توان این کار را به‌ طور کارآمد انجام داد. این مشکل موضوع تحقیقات شرکت پاناسونیک بوده تا محققان این شرکت چگونگی مقابله با سوپرکولینگ را دریابند و به تشکیل سریع و ساده‌تر خوشه‌های هسته‌ای کمک کنند. در حال حاضر سازوکار‌هایی که با استفاده از آن این خوشه‌ها در اطراف هسته ناخالصی تشکیل می‌شوند، هنوز به درستی درک نشده‌اند.

برای مطالعه این اثر، تیم تحقیقاتی شرکت پاناسونیک آزمایش‌هایی را با استفاده از هیدرات‌های کلاترات تولید کرد، مواد جامد مبتنی بر آب که شبیه یخ هستند و در آن‌ها مولکول‌های قطبی یا آب‌گریز در «قفس» مولکول‌های آب پیوند هیدروژن به دام می‌افتند. محققان پس از افزودن هسته‌های مختلفی از نانوذرات به هیدرات‌های کلاترات به شکل مایع، از ترکیب میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف‌سنجی جذب اشعه X برای تصویربرداری مستقیم از تشکیل خوشه‌های این هسته استفاده کردند.

هنگامی که آن‌ها نانوذرات نقره به ابعاد بین ۵ تا ۱۰ نانومتر را اضافه کردند، تصاویر نشان داد که خوشه‌هایی با قطر ۳۰ نانومتر به راحتی در اطراف آن‌ها تشکیل می‌شود. با این که برخی خوشه‌ها حتی در دمای ۸ درجه سانتیگراد باقی ماندند، این نانوذرات به وضوح روند تبلور را تسریع می‌کنند. در مقابل، این نانوذرات به هیچ وجه تبلور را در فلزات نجیب غیرفعال، از جمله پالادیوم، طلا و ایریدیم را ایجاد نمی‌کنند.