Ученые наконец-то распутали загадку, над которой наука билась восемьдесят лет. Они раскрыли кристаллическую структуру гидрата тетра-н-бутиламмония бромида, или просто TBAB·26H₂O. Это вещество — особый тип кристаллов, которые возникают при соединении солей и воды. Его открыли еще в 1940 году, и с тех пор он нашел множество применений, например, в системах кондиционирования воздуха. Но как именно устроены его молекулы, оставалось тайной. Теперь, понимая это, инженеры и ученые смогут использовать его гораздо эффективнее.

Результаты исследования опубликовали в журнале Crystal Growth & Design.

Восемьдесят лет структура широко используемого гидрата TBAB·26H₂O оставалась неразгаданной, хотя его важность для систем хранения тепловой энергии была очевидна. Эта неопределенность мешала и фундаментальной науке, и практическому применению материала. Наша цель была — окончательно определить структуру с помощью синхротронного излучения и прояснить молекулярное строение, — пояснил Санехиро Муромачи, доцент Йокогамского национального университета. — Мы успешно разрешили кристаллическую структуру TBAB·26H₂O впервые, открыв уникальную тетрагональную суперструктуру, в которой катион ТВА размещается в новой конфигурации клетки.

Водные функциональные материалы, к которым относится и этот гидрат, используют удивительные свойства воды. Они применяются в самых разных промышленных процессах. Вода — доступный и возобновляемый ресурс, поэтому такие материалы крайне важны для устойчивого развития. TBAB·26H₂O умеет запасать «холод» при температурах, идеальных для работы кондиционеров. По сути, это „гостевая“ молекула TBAB, которую заключили в каркасную клетку из молекул воды, связанных водородными связями. Структуры других похожих гидратов уже были известны, а эта — нет. Раньше предполагали, что у нее тетрагональная решетка, но это не объясняло всех ее свойств.

Чтобы докопаться до истины, исследователи использовали мощный инструмент — синхротрон SPring-8 в Японии. В синхротроне заряженные частицы, двигаясь по искривленной траектории, испускают интенсивное электромагнитное излучение, которое позволяет видеть структуру вещества в мельчайших деталях.

Оказалось, что структура этого гидрата действительно относится к известному типу Джеффри III, но с уникальными особенностями. Его состав совпадает с другим гидратом — TBA (NO₃), — но упорядоченность атомов иная, что делает кристалл более плотным.

Эта структура объясняет термоаккумулирующие характеристики материала и предоставляет новые принципы для создания функциональных материалов на основе гидратов. Понимание этой структуры открывает дверь для разработки лучших систем хранения тепла и других применений, — прокомментировал Хирэнобу Мачида, главный инженер корпорации Panasonic.

Что дальше? Ученые планируют использовать эти знания для создания продвинутых материалов на основе воды.

Это поможет развивать энергоэффективные технологии: от кондиционеров до систем разделения газов и улавливания углекислого газа.

Следующий шаг — применить эти структурные знания и попытаться расширить эти принципы на другие системы, формирующие гидраты, включая полимеры и мягкую материю, — поделился планами Муромачи.

Реальная польза этого исследования лежит в сугубо практической плоскости. Зная точное расположение молекул в кристалле, инженеры теперь могут не вслепую, а целенаправленно модифицировать материал, чтобы улучшить его ключевые для энергетики параметры:

• Теплоемкость. Можно попытаться сделать материал, который запасает больше холода на единицу объема.
• Температуру фазового перехода. Возможно, получится «настроить» температуру, при которой гидрат плавится и застывает, под конкретные нужды техники, сделав ее более эффективной.
• Стабильность. Понимание структуры позволяет предсказывать, как материал будет вести себя при длительном использовании, и предотвращать его деградацию.

Это прямой путь к созданию более дешевых, компактных и эффективных аккумуляторов холода для систем кондиционирования больших зданий или промышленных объектов. В перспективе это может привести к значительной экономии электроэнергии и снижению нагрузки на сети в пиковые жаркие периоды, что, в свою очередь, сократит выбросы CO₂ от электростанций.

Основное замечание лежит в области практического применения открытия. Исследование блестяще решает фундаментальную задачу — определяет структуру, — но между этим знанием и созданием коммерчески успешных материалов лежит долгий путь инженерных разработок. Сами авторы отмечают, что структура оказалась сложной и плотной. Это может означать, что процесс кристаллизации этого конкретного гидрата трудно контролировать в промышленных масштабах, или он может оказаться слишком медленным для эффективного цикла зарядки/разрядки в системе теплового аккумулятора.

Таким образом, хотя работа и предоставляет карту, по которой теперь можно двигаться, сам по себе она не гарантирует немедленного технологического прорыва. Необходимы дальнейшие прикладные исследования, чтобы выяснить, насколько этот материал поддается «тонкой настройке» и масштабированию.

Ранее ученые посчитали все дефекты внутри кристаллов.