فهرست مطالب
تیمی از دانشمندان مواد موفق به تولید یک هواژل کربنی زیست‌پایه شده‌اند که می‌تواند یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های ذخیره‌سازی حرارت، یعنی نشت ماده هنگام ذوب را برطرف کند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این ماده نوین گرما را به طور کارآمد ذخیره می‌کند و حتی زمانی که ترکیب ذخیره‌کننده حرارت از حالت جامد به مایع تغییر حالت می‌دهد شکل خود را حفظ می‌کند. تمرکز تحقیق بر مواد تغییر فاز است؛ موادی که هنگام ذوب و انجماد، گرما را جذب و آزاد می‌کنند و کاربردهای گسترده‌ای از کنترل دمای ساختمان‌ها تا ذخیره انرژی خورشیدی و مدیریت حرارتی تجهیزات الکترونیکی دارند. با وجود این، بسیاری از مواد تغییر فاز آلی در هنگام ذوب دچار نشت می‌شوند که دوام و قابلیت استفاده عملی آنها را محدود می‌کند.
حتما بخوانید: هویتی که تکرار نمی‌شود؛ هیدروژل RAC جلوی جعل را می گیرد
چگونگی ساخت هواژل کربنی زیست‌پایه
پژوهشگران برای رفع این مشکل به کیتین روی آوردند؛ پلیمر طبیعی که در پوسته سخت‌پوستان و قارچ‌ها یافت می‌شود، فراوان و تجدیدپذیر است و اغلب به عنوان ضایعات دور ریخته می‌شود، بنابراین گزینه‌ای ایدئال برای مهندسی مواد پایدار محسوب می‌شود. در این مطالعه، کیتین ابتدا به هواژل فوق سبک تبدیل شد و سپس با کربنیزه کردن آن، چارچوبی متخلخل از کربن ایجاد شد. این ساختار برای میزبانی اسید استئاریک طراحی شده است؛ ماده تغییر فاز آلی رایجی که ظرفیت بالای ذخیره حرارت دارد، اما مشکل نشت آن همیشه یک چالش بوده است.
هواژل کربنی زیست‌پایه تولیدشده از کیتین، شبکه‌ای متخلخل و کاملا به هم پیوسته با حجم بالای حفره دارد. این حفره‌ها اسید استئاریک مذاب را به صورت فیزیکی در خود محبوس می‌کنند و نیروهای مویینگی به همراه پیوندهای هیدروژنی مانع از نشت آن هنگام ذوب می‌شوند. هوی لی، نویسنده مسئول گفت: «هدف ما طراحی یک سیستم پشتیبان کم‌هزینه و سازگار با محیط زیست بود که بتواند مقادیر بالای ماده تغییر فاز را بدون نشت نگه دارد.»
بیشتر بخوانید: ترمیم سریع‌تر قلب با پچ هیدروژلی جدید
کیتین فراوان، تجدیدپذیر و به‌طور طبیعی غنی از نیتروژن است. این کامپوزیت قادر است اسید استئاریک را تا ۶۰ درصد از وزن خود جای دهد. حتی هنگام ذوب، ساختار کلی ماده ثابت باقی می‌ماند و یکی از چالش‌های اصلی بسیاری از سیستم‌های تغییر فاز آلی را برطرف می‌کند. آزمایش‌های حرارتی نشان دادند که این ماده آنتالپی ذوبی حدود ۱۱۸ ژول بر گرم دارد؛ رقمی که از بسیاری از مواد تغییر فاز زیست‌پایه پیشین بالاتر است. همچنین چارچوب کربنی، رسانایی حرارتی را بهبود می‌بخشد و امکان انتقال کارآمدتر گرما به داخل و خارج ماده را فراهم می‌کند.
برای مطالعه بیشتر: این آئروژل جدید کلید نجات خانه در برابر آتش سوزی است
فرایند بازیافت ضایعات
دوام یکی از محورهای کلیدی این تحقیق بود. پس از ۱۰۰ چرخه گرمایش و سرمایش، کامپوزیت بیش از ۹۷ درصد از ظرفیت اولیه ذخیره حرارت خود را حفظ کرد و دمای تغییر فاز آن تقریبا بدون تغییر باقی ماند. هوی لی بیان کرد: «قابلیت اطمینان بلندمدت برای سیستم‌های ذخیره انرژی در دنیای واقعی حیاتی است. نتایج نشان می‌دهد که این هواژل کربنی زیست‌پایه می‌تواند به صورت مکرر گرما را ذخیره و آزاد کند.» پژوهشگران دریافتند که محدودیت نانومقیاس درون حفره‌های کربنی، انرژی فعال‌سازی لازم را برای تغییر فاز اسید استئاریک افزایش می‌دهد.
این یافته نشان‌دهنده پایداری حرارتی بالاتر است، که ناشی از تعامل بین سطح کربن نیتروژن‌دار و مولکول‌های آلی است. از آنجا که کیتین می‌تواند از ضایعات غذاهای دریایی و زیست‌توده قارچ‌ها استخراج شود، این رویکرد مسیر جدیدی برای تبدیل محصولات جانبی زیستی به مواد انرژی با ارزش بالا ارائه می‌کند. تیم تحقیقاتی (همان‌طور که در Sustainable Carbon Materials گزارش شده است) معتقد است این استراتژی قابلیت انطباق با دیگر مواد تغییر فاز و بازه‌های دمایی را دارد و می‌تواند در توسعه سیستم‌های ذخیره انرژی حرارتی پایدار و سبز نقش مهمی ایفا کند.
