Исследователи разгадали загадку, которая ставила в тупик учёных на протяжении 80 лет: кристаллическая структура гидрата бромида тетра-н-бутиламмония (TBAB) — TBAB·26H₂O. Это вещество принадлежит к классу кристаллических материалов, называемых полуклатратными гидратами, которые образуются в результате сочетания ионов и воды.
Применение гидрата TBAB
С момента своего открытия в 1940 году этот гидрат TBAB широко использовался в различных областях, включая кондиционирование воздуха. Понимание кристаллической структуры этого важного полуклатратного гидрата поможет учёным и инженерам лучше использовать гидрат TBAB.
Результаты исследования
Результаты были опубликованы в статье, вышедшей в журнале Crystal Growth & Design 17 июля.
«В течение 80 лет кристаллическая структура широко используемого гидрата TBAB (TBAB·26H₂O) оставалась неразгаданной, несмотря на его важность в области хранения тепловой энергии. Эта структурная неопределённость препятствовала как научному пониманию, так и практической оптимизации материала. Наша цель состояла в том, чтобы окончательно определить структуру с помощью синхротронного излучения и прояснить её молекулярное расположение», — сказал Санехиро Муромачи, доцент Йокohamaского национального университета в Йокогаме, Япония, и Хиронобу Мачида, главный инженер компании Panasonic Corporation в Осаке, Япония.
Функциональные материалы на основе воды
Функциональные материалы на основе воды, включая гидрогели, водные полимеры, жидкие кристаллы и клатратные гидраты, используют уникальные свойства воды и применяются в различных промышленных процессах. Вода является распространённым и устойчивым ресурсом, что делает эти материалы важной частью устойчивых промышленных процессов.
TBAB·26H₂O — это полуклатратный гидрат, который может хранить холодную энергию при температурах, подходящих для использования в кондиционерах. Он состоит из гостевой молекулы TBAB, окружённой водородной связью в клетке из молекул воды.
Использование синхротронного излучения
Исследователи использовали установку синхротронного излучения под названием Super Photon ring-8 (SPring-8) в городе Саё, Япония. Во время синхротронного излучения заряженные частицы движутся по криволинейной траектории и излучают электромагнитное излучение.
Структура тетрагонального гидрата TBAB оказалась гидратом типа III по Джеффри, одним из известных типов, но с уникальными особенностями. Его состав идентичен составу, обнаруженному в другом полуклатратном гидрате TBA, называемом TBA(NO₃), но с другим расположением, приводящим к более плотному кристаллу.
Важность открытия
Понимание этой новой структуры раскрывает свойства гидрата TBAB·26H₂O, связанные со хранением тепла, которые могут быть применены в различных практических приложениях. В частности, это открывает новые возможности для проектирования материалов для хранения тепла на основе гидратов. Это важное открытие может помочь снизить выбросы CO₂.
«Мы впервые успешно определили кристаллическую структуру TBAB·26H₂O, обнаружив уникальную тетрагональную сверхструктуру, которая вмещает катион TBA в новой конфигурации клетки», — сказал Муромачи.
«Эта структура объясняет характеристики хранения тепла в материале и предлагает новые принципы проектирования функциональных материалов на основе гидратов. Понимание этой структуры открывает возможности для создания более эффективных систем хранения тепла и других приложений», — сказал Мачида.
Перспективы
Исследователи планируют использовать новое понимание кристаллической структуры гидрата TBAB для создания передовых материалов на основе воды и внести свой вклад в энергоэффективные технологии, такие как кондиционирование воздуха, газоразделение и улавливание углерода.
«Следующий шаг — применить эти структурные знания и попытаться распространить эти структурные принципы на другие системы, образующие гидраты, включая полимеры и мягкие вещества», — сказал Муромачи.
Среди других участников исследования — Нобухиро Ясуда и Хироясу Масунага из Японского института синхротронного излучения (JASRI); Такэси Сугахара из Университета Осаки; и Хиронобу Мачида из компании Panasonic Corporation.
Предоставлено Йокohamaским национальным университетом.