Исследователи из Великобритании и Испании получили экологически чистое твердое вещество, которое может заменить неэффективные и неэкологичные газы, используемые в большинстве холодильников и кондиционеров.
Под давлением пластиковые кристаллы неопентилгликоля дают огромный охлаждающий эффект - достаточный, чтобы конкурировать с обычными охлаждающими жидкостями. Кроме того, материал недорог, широко доступен и функционирует при температуре, близкой к комнатной. Подробности опубликованы в журнале Nature Communications.
Газы, используемые в настоящее время в подавляющем большинстве холодильников и кондиционеров воздуха - гидрофторуглероды и углеводороды (англ. HFC and HC) - являются токсичными и легковоспламеняющимися. Также они способствуют глобальному потеплению.
«Холодильники и кондиционеры на основе HFC и HC также относительно неэффективны», - сказал д-р Ксавье Мойя из Кембриджского университета, который руководил исследованиями с профессором Хосепом Луисом Тамаритом из Политехнического университета Каталонии. «Это важно, потому что в настоящее время охлаждение и кондиционирование воздуха поглощает пятую часть энергии, производимой в мире, а спрос на охлаждение только растет».
Чтобы решить эти проблемы, ученые во всем мире искали альтернативные твердые хладагенты. Мойя, научный сотрудник Королевского общества кафедры материаловедения и металлургии Кембриджа, является одним из лидеров в этой области.
В своем недавно опубликованном исследовании Мойя и его коллеги из Политехнического университета Каталонии и Университета Барселоны описывают огромные тепловые изменения под давлением, достигнутые с помощью пластиковых кристаллов.
Традиционные технологии охлаждения основаны на тепловых изменениях, возникающих при расширении сжатой жидкости. Большинство охлаждающих устройств работают путем сжатия и расширения жидкостей, таких как HFC и HC. Поскольку жидкость расширяется, она понижается в температуре, охлаждая окружающую ее среду.
Для твердых веществ охлаждение достигается путем изменения микроскопической структуры материала. Это изменение может быть достигнуто путем применения магнитного поля, электрического поля или механической силы. В течение десятилетий эти эффекты отставали от тепловых изменений, доступных в жидкостях, но открытие колоссальных барокалорических эффектов в пластиковом кристалле неопентилгликоля (NPG) и других родственных органических соединениях изменило ситуацию.
Из-за природы их химических связей органические материалы легче сжимать, и NPG широко используется в синтезе красок, сложных полиэфиров, пластификаторов и смазочных материалов. Это не только широко доступно, но и недорого.
Молекулы NPG, состоящие из углерода, водорода и кислорода, являются почти сферическими и слабо взаимодействуют друг с другом. Эти свободные связи в своей микроскопической структуре позволяют молекулам вращаться относительно свободно.
Слово «пластик» в «пластиковых кристаллах» относится не к его химическому составу, а скорее к его пластичности. Пластмассовые кристаллы лежат на границе между твердым телом и жидкостью.
Сжатие NPG приводит к беспрецедентно большим тепловым изменениям из-за молекулярной реконфигурации. Достигнутое изменение температуры сопоставимо с теми, которые коммерчески используются в HFC и HC.
Обнаружение колоссальных барокалорических эффектов в пластиковом кристалле должно вывести барокалорические материалы на передний план исследований и разработок для достижения безопасного экологически чистого охлаждения без ущерба для производительности.
Ученые сейчас работают с Cambridge Enterprise, подразделением по коммерциализации Кембриджского университета, чтобы вывести новую технологию на рынок.
Источник: P. Lloveras, A. Aznar, M. Barrio, Ph. Negrier, C. Popescu, A. Planes, L. Mañosa, E. Stern-Taulats, A. Avramenko, N. D. Mathur, X. Moya, J.-Ll. Tamarit. Colossal barocaloric effects near room temperature in plastic crystals of neopentylglycol. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-09730-9
Вас также может заинтересовать: