Ученые показали, как иначе можно улучшить свойства материалов
с фазовым переходом. Для этого они «обернули» парафин в тонкую оболочку из
органического полимера и покрыли капсулу пленкой оксида цинка. Это позволило
получить композит, который легко смешивается с водой и обладает улучшенной способностью
передавать тепло. Такой материал нужен в различных отраслях промышленности и
строительства, в частности, для создания эффективных систем кондиционирования.
Результаты работы, поддержанной грантом
Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда, опубликованы в журнале
Advanced Materials Interfaces.
Материалы с фазовым переходом
способны накапливать и выделять большое количество тепла при переходе вещества
из одной фазы в другую, в большинстве случаев — из твердого состояния в жидкое, и наоборот. В качестве таких
материалов часто используются неорганические (гидраты солей, металлы) и
органические материалы, среди которых наиболее оптимальными для применения считаются
парафины. Парафины требуют много энергии, чтобы их расплавить, и не приводят к
разрушению конструкционных материалов.
Обычно материалы c фазовым переходом
применяют в виде крупных герметичных контейнеров различных форм и размеров,
предотвращающих утечку материала в расплавленном состоянии. Но низкая
способность передавать тепло (теплопроводность) большинства материалов с
фазовым переходом привела к разработке и применению микрокапсул. Их можно
добавлять в разные строительные конструкции, ткани и теплоносители. Такое
решение позволяет сохранить материал в виде порошка, когда материал с фазовым
переходом расплавлен. Капсулы тоже бывают органическими и неорганическими.
Неорганические (оксиды титана или кремния) обеспечивают хорошую передачу тепла
и низкую горючесть, но не могут полностью герметизировать ядро из парафина.
Органические же полимеры формируют герметичную оболочку, но снижают способность
передачи тепла и увеличивают горючесть.
Сотрудники
Института общей и неорганической химии РАН имени Н. С. Курнакова (ИОНХ
РАН)
совместно с коллегами из Израиля и Сингапура
предложили объединить преимущества органических и неорганических капсул: на
частицы парафина, «обернутого» капсулой из органического меламинформальдегидного
полимера, который используют в изготовлении пластиков и клеев, нанесли тонкое
равномерное покрытие оксида цинка.
«В нашей работе впервые использован «пероксидный»
метод для получения пленки оксида цинка при низкой температуре, что позволяет
улучшить свойства материалов с фазовым переходом», — рассказывает руководитель проекта Александр Медведев,
старший научный сотрудник ИОНХ РАН, кандидат химических наук.
Этот метод активно развивают и
применяют в Лаборатории
пероксидных соединений и материалов на их основе, где работает Александр, для получения тонких пленок
различных оксидов и сульфидов. Пероксид цинка равномерно осаждается на
поверхность капсул за счет образования прочных водородных связей с полимерной
пленкой. Затем материал подвергают химической обработке водным раствором
сульфита натрия, в результате чего пероксид восстанавливается и образует
кристаллический оксид цинка на поверхности микрокапсул материала. Пероксид цинка, в отличие от оксида, кристаллизуется из
раствора при нормальных условиях. Предложенный подход является уникальным,
поскольку именно только так можно получить кристаллический оксид цинка при комнатной
температуре, а потому не требуется дорогое и сложное оборудование. При этом
сохраняется структура покрытия и обеспечиваются необходимые физические
свойства, в том числе способность передавать тепло.
Картинка: обложка номера Advanced
Materials Interfaces, в котором опубликована статья.