a) Images HAADF-STEM de répliques de films préparées à partir des échantillons #1, #2, #11, et #13 de solutions aqueuses de 3-méthylpentanoate de tétra-n-butylammonium (TBA-3MP). Dans les échantillons #11 et #13, des nanoparticules d'argent de 5 à 10 nm de diamètre ont été observées. Dans l'échantillon #13, qui comprenait à la fois des nanoparticules d'argent et des anions F, Des amas de 10 à 30 nm existaient même à 281 K. Avec de nouvelles baisses de température, la densité numérique des grappes a augmenté, puis l'hydrate de semiclathrate TBA-3MP cristallisé avec un faible degré de surfusion. b) Image SE-STEM d'une zone différente du même film que "13-a" dans le panneau a). Des amas de taille 10-30 nm enveloppent une nanoparticule d'argent (points noirs indiqués par des flèches rouges) Crédit :T. Sugahara/Osaka University et H. Machida/Panasonic Corporation
Les scientifiques de l'Université d'Osaka, Panasonic Corporation, et l'Université Waseda a utilisé la microscopie électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie d'absorption des rayons X pour déterminer quels additifs induisent la cristallisation dans des solutions aqueuses en surfusion. Ces travaux pourraient conduire au développement de nouveaux matériaux de stockage d'énergie basés sur la chaleur latente.
Si vous mettez une bouteille d'eau au congélateur, vous vous attendez à sortir un solide cylindre de glace après quelques heures. Cependant, si l'eau a très peu d'impuretés et n'est pas perturbée, il ne peut pas être congelé, et à la place rester comme un liquide surfondu. Fais attention, car cet état est très instable, et l'eau cristallisera rapidement si elle est secouée ou si des impuretés sont ajoutées, comme l'attestent de nombreuses vidéos YouTube. La surfusion est un phénomène dans lequel une solution aqueuse conserve son état liquide sans se solidifier, même si sa température est inférieure au point de congélation. Bien que de nombreuses études aient été menées sur les additifs qui déclenchent la congélation des liquides en surfusion, les détails du mécanisme sont inconnus. Une application potentielle pourrait être les matériaux de stockage de chaleur latente, qui dépendent de la congélation et de la fonte pour capturer et libérer plus tard la chaleur, comme un pack de congélation réutilisable.
Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par l'Université d'Osaka a montré que les nanoparticules d'argent sont très efficaces pour induire la cristallisation dans les hydrates de clathrate. Les hydrates de clathrate ressemblent physiquement à de la glace et sont composés de cages à eau à liaison hydrogène contenant des molécules invitées. "En utilisant SEM avec la méthode de réplique de congélation-fracture, nous avons capturé le moment où un cluster naissant a enveloppé une nanoparticule d'argent dans la solution aqueuse de matériaux de stockage de chaleur latente, », explique l'auteur correspondant, le professeur Takeshi Sugahara. Cela se produit parce que les nanoparticules servent de « graine, " ou site de nucléation, pour que de minuscules grappes se forment.
Une fois que cela a commencé, les molécules de soluté et d'eau restantes peuvent rapidement former des amas supplémentaires, puis la densification des amas conduit à la cristallisation. Les chercheurs ont découvert que si les nanoparticules d'argent avaient tendance à accélérer la formation de ces amas, autres nanoparticules métalliques, comme le palladium, or, et l'iridium ne favorisent pas la cristallisation. "L'effet de suppression de la surfusion obtenu dans la présente étude contribuera à l'utilisation pratique des hydrates de clathrate comme matériaux de stockage de chaleur latente, " Dit le professeur Sugahara. Directives de conception des matériaux pour un contrôle amélioré de la surfusion, comme décrit dans cette étude, peut conduire à l'application de matériaux de stockage de chaleur latente dans les technologies d'énergie solaire et de récupération de chaleur avec une efficacité améliorée.
