a) Imágenes HAADF-STEM de películas de réplica preparadas a partir de las muestras n. ° 1, # 2, # 11, y # 13 de soluciones acuosas de 3-metilpentanoato de tetra-n-butilamonio (TBA-3MP). En las muestras n. ° 11 y n. ° 13, Se observaron nanopartículas de plata de 5-10 nm de ancho. En la muestra n. ° 13, que incluía nanopartículas de plata y aniones F-, Los grupos de 10-30 nm existían incluso a 281 K. Con nuevas disminuciones de temperatura, la densidad numérica de los conglomerados aumentó, y luego el hidrato de semiclatrato de TBA-3MP cristalizó con un pequeño grado de sobreenfriamiento. b) Imagen SE-STEM de un área diferente de la misma película que “13-a” en el panel a). Los grupos de tamaño 10-30 nm envuelven una nanopartícula de plata (puntos negros indicados por flechas rojas) Crédito:T. Sugahara / Universidad de Osaka y H. Machida / Panasonic Corporation
Científicos de la Universidad de Osaka, Panasonic Corporation, y la Universidad de Waseda utilizaron microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de absorción de rayos X para determinar qué aditivos inducen la cristalización en soluciones acuosas superenfriadas. Este trabajo puede conducir al desarrollo de nuevos materiales de almacenamiento de energía basados en calor latente.
Si pone una botella de agua en el congelador, esperará sacar un cilindro sólido de hielo después de unas horas. Sin embargo, si el agua tiene muy pocas impurezas y no se toca, puede que no esté congelado, y en su lugar permanecen como un líquido sobreenfriado. Ten cuidado, porque este estado es muy inestable, y el agua cristalizará rápidamente si se agita o si se agregan impurezas, como atestiguan muchos videos de YouTube. El sobreenfriamiento es un fenómeno en el que una solución acuosa mantiene su estado líquido sin solidificarse, a pesar de que su temperatura está por debajo del punto de congelación. Aunque se han realizado muchos estudios sobre aditivos que desencadenan la congelación de líquidos sobreenfriadores, se desconocen los detalles del mecanismo. Una aplicación potencial podría ser materiales de almacenamiento de calor latente, que dependen de la congelación y la fusión para capturar y luego liberar calor, como un paquete de congelador reutilizable.
Ahora, un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Osaka ha demostrado que las nanopartículas de plata son muy eficaces para inducir la cristalización en hidratos de clatrato. Los hidratos de clatrato se ven físicamente como hielo y están compuestos de jaulas de agua unidas por hidrógeno con moléculas invitadas en su interior. "Utilizando SEM con el método de réplica por congelación-fractura, capturamos el momento en que un grupo naciente envolvió una nanopartícula de plata en la solución acuosa de materiales de almacenamiento de calor latente, "explica el autor correspondiente, el profesor Takeshi Sugahara. Esto ocurre porque las nanopartículas sirven como una" semilla, "o sitio de nucleación, para que se formen pequeños racimos.
Una vez que esto comience, las moléculas de soluto y agua restantes pueden formar rápidamente grupos adicionales y luego la densificación de los grupos conduce a la cristalización. Los investigadores encontraron que, si bien las nanopartículas de plata tendían a acelerar la formación de estos grupos, otras nanopartículas metálicas, como el paladio, oro, y el iridio no promueven la cristalización. "El efecto de supresión del sobreenfriamiento obtenido en el presente estudio contribuirá a lograr el uso práctico de los hidratos de clatrato como materiales de almacenamiento de calor latente, "Dice el profesor Sugahara. Pautas de diseño de materiales para un mejor control del sobreenfriamiento, como se describe en este estudio, puede conducir a la aplicación de materiales de almacenamiento de calor latente en tecnologías de energía solar y recuperación de calor con mayor eficiencia.
