Wetenschappers van de Universiteit van Osaka, Panasonic Corporation, en Waseda University gebruikten scanning elektronenmicroscopie (SEM) en röntgenabsorptiespectroscopie om te bepalen welke additieven kristallisatie induceren in onderkoelde waterige oplossingen. Dit werk kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe energieopslagmaterialen op basis van latente warmte.

Als je een fles water in de vriezer zet, je zult verwachten dat je na een paar uur een stevige cilinder met ijs tevoorschijn haalt. Echter, als het water zeer weinig onzuiverheden heeft en ongestoord wordt gelaten, het mag niet worden ingevroren, en in plaats daarvan blijven als een onderkoelde vloeistof. Doe voorzichtig, omdat deze toestand erg onstabiel is, en het water zal snel kristalliseren als het wordt geschud of als er onzuiverheden worden toegevoegd - zoals veel YouTube-video's zullen bevestigen. Onderkoeling is een fenomeen waarbij een waterige oplossing zijn vloeibare toestand behoudt zonder te stollen, ook al is de temperatuur onder het vriespunt. Hoewel er veel onderzoeken zijn gedaan naar additieven die het bevriezen van onderkoelende vloeistoffen veroorzaken, de details van het mechanisme zijn onbekend. Een mogelijke toepassing zijn latente warmteopslagmaterialen, die afhankelijk zijn van bevriezing en smelten om warmte op te vangen en later af te geven, als een herbruikbaar diepvriespakket.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers onder leiding van de Osaka University heeft aangetoond dat zilveren nanodeeltjes zeer effectief zijn in het induceren van kristallisatie in clathraathydraten. Clathraathydraten zien er fysiek uit als ijs en zijn samengesteld uit waterstofgebonden waterkooien met gastmoleculen erin. "Door gebruik te maken van SEM met de freeze-fracture replica-methode, we hebben het moment vastgelegd waarop een ontluikende cluster een zilveren nanodeeltje omhulde in de waterige oplossing van latente warmteopslagmaterialen, " legt corresponderende auteur professor Takeshi Sugahara uit. Dit komt omdat de nanodeeltjes dienen als een "zaadje, " of nucleatieplaats, om kleine clusters te vormen.

Zodra dit begint, de resterende opgeloste stof en watermoleculen kunnen snel extra clusters vormen en dan leidt clusterverdichting tot de kristallisatie. De onderzoekers ontdekten dat terwijl zilveren nanodeeltjes de vorming van deze clusters versnelden, andere metalen nanodeeltjes, zoals palladium, goud, en iridium bevorderen de kristallisatie niet. "Het onderdrukkingseffect van onderkoeling verkregen in de huidige studie zal bijdragen aan het praktische gebruik van clathraathydraten als latente warmteopslagmaterialen, ", zegt professor Sugahara. Richtlijnen voor materiaalontwerp voor verbeterde onderkoelingscontrole, zoals beschreven in dit onderzoek, kan leiden tot de toepassing van latente warmteopslagmaterialen in zonne-energie en warmteterugwinningstechnologieën met verbeterde efficiëntie.