Пористий ацетат целюлози захистив морозиво і льодовик від танення

Фізики виготовили біорозкладну плівку з пористого ацетату целюлози, яка показала рекордні властивості збереження льоду від танення під дією прямих сонячних променів. За допомогою неї вдалося ефективно зберегти холод у заморожених продуктах, включаючи морозиво. Під час експериментів і симуляцій плівка також зарекомендувала себе як хороший захист від танення для льодовиків і айсбергів. Дослідження опубліковано в.

Лід займає важливе місце в різних аспектах людської діяльності, починаючи від збереження продуктів харчування і закінчуючи спортивними заходами. І у всіх з них необхідно зберігати лід від танення, в тому числі в умовах прямих сонячних променів. Підраховано, що робота холодильних установок, необхідна для збереження 40 відсотків продуктів харчування в світі (близько 400 мільйонів тонн), споживає 11 відсотків світової електроенергії. Збереження льоду - це також і екологічна проблема, пов'язана з глобальною зміною клімату.

Досліджуючи тепловий баланс таючого на сонці льоду, фізики з'ясували, що основний потік енергії він отримує, поглинаючи випромінювання в діапазоні від 0,3 до 2,5 мікрометрів, але при цьому випускає чорнотельне випромінювання в діапазоні від 2,5 до 18 мікрометрів (співвідношення теплових потоків залежить від безлічі факторів, у тому числі від географічної широти). Цей факт вказав на можливість пасивно зберігати лід від танення оптичними методами. Фізика вже знає приклади таких технологій, які засновані на матеріалах фотоніки, наночастинках, нанопорах і надбілих фарбах. Потужності охолодження, що досягаються таким шляхом, варіюються від 40 до 100 ват на квадратний метр, а досяжні температури - від 3 до 13 градусів на сонячний день.

Але для збереження льоду ці технології поки не підходять. По-перше, щоб утримувати його температуру нижче нуля, потрібен тепловідведення потужністю 70-110 ват на квадратний метр. По-друге, матеріали для радіаційного охолодження повинні бути надзвичайно поширеними і масштабованими з мінімальним впливом на навколишнє середовище.

Цзя Чжу (Jia Zhu) з університету Нанджунга з американськими і китайськими колегами знайшли такий матеріал. Ним виявилися біорозкладені плівки з ієрархічно структурованого ацетату целюлози. Плівки являють собою переплетені між собою методом електроспінінгу нитки, між якими утворюються різномасштабні пори з розмірами 0,5 до 3 мікрометрів. Така конфігурація забезпечує ефективне розсіювання сонячного світла. При цьому матеріал володіє високим коефіцієнтом випромінювання в середньому інфрачервоному діапазоні завдяки різноманітності частот, викликаному деформацією міжатомних зв'язків в аморфних макромолекулярних ланцюгах ацетату целюлози. Фізики переконалися в цьому, порівнюючи оптичні властивості виготовлених плівок з іншими пасивно охолоджувальними матеріалами: алюмінієвою плівкою, плівкою PET-Al-PE, білим папером. У всіх випадках їхній матеріал відображав більше сонячного світла і інтенсивніше випромінював.

Автори провели кілька експериментів, щоб оцінити охолоджувальні здібності нових плівок. У рамках одного з них вони загортали заморожені продукти в різні матеріали, залишали під прямими сонячними променями і вимірювали, скільки часу температура в них протримається негативною. Для плівок на основі ацетату целюлози цей час склав 5,5 годин проти 3,7, 3,8 і 2,6 годин для білого паперу, алюмінієвої і PET-Al-PE-плівки відповідно. В іншому досвіді фізики залишали морозиво в пакетах з різних матеріалів на 80 хвилин. Його цілісність для нового матеріалу склала 98 відсотків проти менше 50 відсотків для аналогів.

Вчених також цікавила здатність нових плівок протистояти таненню природного льоду і снігу у високих широтах. Для цього вони виготовили установку, яка імітувала відповідні умови, і показали, що температура невеликих шматочків льоду, покритих новим матеріалом в середньому на сім градусів нижче, ніж у непокритих. Для більш масштабного результату фізики покрили плівкою 80 квадратних метрів льодовика Урумчі-1. Вони виявили, що після закінчення 20 днів покрита частина височіла над непокритою на 70 сантиметрів.

Автори також провели моделювання того, як новий матеріал впливає на більш великі крижані структури. Як об'єкт дослідження вони вибрали один з айсбергів площею кілька квадратних кілометрів, виявлений біля берегів острова Баффінова Земля. Цей айсберг втратив за літній сезон один метр товщини. Розрахунки показали, що якби він був покритий плівкою зі структурованого ацетату целюлози, то, навпаки, придбав би стільки ж крижаної маси. Подібні розрахунки фізики провели і для більших площ.

Виготовлений матеріал змінює в першу чергу радіаційний нагрів і охолодження і не зачіпає інші типи теплопередачі. Однак фізики поступово вчаться керувати і ними теж. Наприклад, нещодавно вони створили матеріал з рекордною анізотропією теплопровідності.