a) Imagens HAADF-STEM de réplicas de filmes preparadas a partir das amostras # 1, # 2, # 11, e # 13 de soluções aquosas de 3-metilpentanoato de tetra-n-butilamônio (TBA-3MP). Nas amostras # 11 e # 13, nanopartículas de prata com 5-10 nm de diâmetro foram observadas. Na amostra # 13, que incluiu nanopartículas de prata e ânions F-, Aglomerados de 10-30 nm existiam mesmo a 281 K. Com mais diminuições na temperatura, a densidade numérica dos clusters aumentou, e então o semiclatrato hidratado TBA-3MP cristalizou com um pequeno grau de super-resfriamento. b) Imagem SE-STEM de uma área diferente do mesmo filme como “13-a” no painel a). Aglomerados de tamanho 10-30 nm envolvem uma nanopartícula de prata (pontos pretos indicados por setas vermelhas) Crédito:T. Sugahara / Osaka University e H. Machida / Panasonic Corporation
Cientistas da Universidade de Osaka, Panasonic Corporation, e a Universidade Waseda usaram microscopia eletrônica de varredura (SEM) e espectroscopia de absorção de raios-X para determinar quais aditivos induzem a cristalização em soluções aquosas super-resfriadas. Este trabalho pode levar ao desenvolvimento de novos materiais de armazenamento de energia baseados no calor latente.
Se você colocar uma garrafa de água no freezer, você espera retirar um cilindro sólido de gelo após algumas horas. Contudo, se a água tiver muito poucas impurezas e for deixada intacta, pode não estar congelado, e, em vez disso, permanece como um líquido super-resfriado. Tome cuidado, porque este estado é muito instável, e a água se cristalizará rapidamente se for sacudida ou se impurezas forem adicionadas - como muitos vídeos do YouTube atestam. Superresfriamento é um fenômeno em que uma solução aquosa mantém seu estado líquido sem solidificar, mesmo que sua temperatura esteja abaixo do ponto de congelamento. Embora muitos estudos tenham sido feitos sobre aditivos que desencadeiam o congelamento de líquidos de super-resfriamento, os detalhes do mecanismo são desconhecidos. Uma aplicação potencial pode ser materiais de armazenamento de calor latente, que dependem do congelamento e derretimento para capturar e, posteriormente, liberar calor, como um pacote de freezer reutilizável.
Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade de Osaka mostrou que as nanopartículas de prata são muito eficazes na indução da cristalização em clatratos hidratados. Os hidratos de clatrato parecem fisicamente com gelo e são compostos de gaiolas de água ligadas por hidrogênio com moléculas hóspedes dentro. "Usando SEM com o método de réplica de fratura por congelamento, capturamos o momento em que um cluster nascente envolveu uma nanopartícula de prata na solução aquosa de materiais de armazenamento de calor latente, ", explica o autor correspondente, o professor Takeshi Sugahara. Isso ocorre porque as nanopartículas servem como uma" semente, "ou local de nucleação, para que pequenos aglomerados se formem.
Assim que começar, o soluto restante e as moléculas de água podem formar aglomerados adicionais rapidamente e, em seguida, a densificação do cluster leva à cristalização. Os pesquisadores descobriram que, embora as nanopartículas de prata tendam a acelerar a formação desses aglomerados, outras nanopartículas de metal, como paládio, ouro, e o irídio não promove a cristalização. "O efeito de supressão de superresfriamento obtido no presente estudo contribuirá para alcançar o uso prático de clatratos hidratados como materiais de armazenamento de calor latente, "O professor Sugahara diz. Diretrizes de design de materiais para controle aprimorado de superresfriamento, conforme descrito neste estudo, pode levar à aplicação de materiais de armazenamento de calor latente em tecnologias de energia solar e recuperação de calor com maior eficiência.
