ナノ粒子と超音波によって制御される水の過冷却

はじめに

環境問題、差し迫ったエネルギー不足、エネルギーと新しい発電所の高コストに対する懸念の高まりを回避するための新技術の探求は、過去30年間の科学的関心事でした。主な課題は、余剰エネルギーが処分されるのを防ぎ、エネルギーの生成と消費の間のギャップを埋めるための余剰エネルギーの貯蔵が不足していることです。潜熱蓄熱は、高いエネルギー貯蔵密度を提供するため、特に興味深い手法です[1]。水は、実際に潜熱蓄熱に使用される最も一般的な材料の1つです。潜熱と熱伝導率が高いため、体積蓄熱密度が高くなっています。しかし、多くの研究者によって報告されているように、水の主な欠点の1つは、凝固プロセス中に発生する過冷却です。過冷却は冷却温度の低下につながります。したがって、潜熱はより低い温度で放出されます。その結果、潜熱を十分に活用するには、充電と放電の間に大きな温度差が必要になります。これは、効率的な蓄熱アプリケーションには望ましくありません[2]。したがって、水の過冷却度を下げる方法を見つけることは、潜熱蓄熱技術を進歩させるための基本です。

過去10年間で、核剤としてナノ粒子を使用することは、研究者が水の過冷却度を制御するために採用した広く普及した主要な方法です。一般的に使用されるナノ粒子は、金属および金属酸化物（TiO ₂ など）です。 、Al ₂ O ₃ 、Cu、およびCuO [3,4,5,6]。これらのナノ粒子は親水性であり、核形成のギブズの自由エネルギーを減少させることにより、氷晶核の形成を促進することができます。カーボンナノチューブやグラフェンナノプレートレットなどの他の疎水性ナノ粒子も、一部の研究者によって核剤として使用されています[7、8、9]。水の過冷却度の低下は、ナノ粒子の比表面積が高いことに起因します。これにより、より多くの核生成サイトが提供され、高温での核生成確率が向上します。文献によると、ナノ粒子が異なれば核形成効果も異なります。さらに、比表面積の高いナノ粒子は水の過冷却を排除できますが、親水性のあるナノ粒子は排除できません。たとえば、少量のグラフェンナノプレートレット（0.02 wt。％）を追加すると、水の過冷却をなくすことができます[8]が、TiO ₂ を使用すると、過冷却度を70.9％しか下げることができません。 ナノ粒子（1.0 wt。％）[4]。したがって、外来核生成サイトの数を増やすことは、核生成剤の親水性を改善することと比較して、水の過冷却を制御するためのより良い方法である可能性があります。

比表面積の大きいナノ粒子を使用し、親水性ナノ粒子の濃度を上げることは、水の凝固のための核形成部位を増やす2つの一般的な方法です。しかし、水中で比表面積の大きいナノ粒子の分散を維持することは非常に困難であり、ナノ粒子は自発的に凝集して表面自由エネルギーを低下させる傾向があります[10]。高い比面積を持つナノ粒子の分散安定性が低いと、長期の熱サイクルでの熱特性の低下など、アプリケーションでいくつかの深刻な問題が発生します。ナノ粒子濃度がある程度上昇すると、凝集現象も回避できなくなります[11]。金属および金属酸化物ナノ粒子の場合、推定臨界濃度は約1.0〜2.0 wt。％です。したがって、水の核形成の有効なサイトを増やす他の方法を見つける必要があります。

凝固に超音波を適用することは、過去数年にわたって水の過冷却度を減らすための効果的な方法であることが証明されています[12]。超音波は、液体媒体を通過するときに、液体の機械的振動を引き起こします。液体媒体に溶存ガス核が含まれている場合（通常の条件下の場合）、液体媒体は超音波の作用によって成長および崩壊する可能性があります。超音波場下でのマイクロバブルの成長と崩壊の現象は、「音響キャビテーション」として知られています[13]。水の氷核形成は、一般に音響キャビテーションと密接に関連していると考えられています。一部の研究者は、キャビテーション気泡の崩壊に関連する圧力変化が超音波の核形成効果の理由である可能性があると考えていますが[14、15、16、17、18、19、20]、他の研究者は水の過冷却度の低下を信じています提供されたキャビテーション気泡表面が原因である可能性があり、外来核生成サイトとして機能します[21、22、23]。したがって、超音波制御による氷の核形成をよりよく理解するには、さらなる調査が必要です。

最近、劉ら。ナノ粒子（すなわち、酸化グラフェン）と超音波の影響を同時に受けた水の凝固に関する実験を実施しました[24]。彼らは、水の過冷却度が、ナノ粒子または超音波のいずれかによって引き起こされる効果よりも、ナノ粒子と超音波の複合効果の下でより大幅に低下することを発見しました。しかし、この興味深い現象は彼らの研究では十分に説明されておらず、一般的に超音波のキャビテーション効果に起因していました。私たちの以前の研究は、TiO ₂ を導入することを実証しました 凝固プロセスへのナノ粒子と超音波は、水の過冷却度を下げることができます。超音波出力が高いほど、過冷却度は低くなります[25]。ただし、前述の凝集の問題は、超音波とTiO ₂ によって支援された水の凝固に現れることもわかりました。 ナノ粒子;つまり、ナノ粒子と気泡は、前進する氷水界面によって押しのけられ、最終的には、特に高超音波出力で、容器の中央に集まってしまう傾向があります。この発見は、低い過冷却度と良好なナノ粒子安定性を同時に達成するために、超音波出力を注意深く設定する必要があることを示唆しています。今日まで、ナノ粒子と超音波によって支援された水の凝固に関する研究はほとんど報告されていません。したがって、ナノ粒子と超音波の複合効果を特定および解明するために詳細な調査を実施することが必要であると考えられます。

本研究では、Al ₂ O ₃ およびSiO ₂ 親水性で水に安定して分散できるナノ粒子を採用し、2つの水性懸濁液の固化過程に超音波を導入しました。水の過冷却度に及ぼすナノ粒子濃度と超音波強度の影響を調べた。この研究は主に、ナノ粒子と超音波が水の凝固において果たす可能性のある役割を特定し、低い過冷却度と良好な懸濁安定性の要件を同時に満たすことができる適切な核形成方法と対応する制御条件を決定することを目的としています。ナノ粒子と超音波が水の凝固に影響を与える方法を示すために、キャビテーション気泡に関する核形成メカニズムについても説明しました。

実験的

親水性Al ₂ O ₃ およびSiO ₂ ナノ粒子（Aladdin Chemical Reagent Co. Ltd.、China）は、水との強い親和性に基づいて、この研究の核剤として選択されました。ナノ粒子と水の間の接触角は、接触角ゴニオメーター（DataPhysics OCA40 Micro、ドイツ）を使用した静的液滴法を使用して測定しました。ナノ粒子ごとに5つのテストを実行し、これらのテストから平均値を取得しました。接触角の測定は平均値の1％以内で再現可能であり、測定結果を図1に示します。ナノ粒子懸濁液の調製では、分析グレードの水酸化ナトリウムによってpHを8に調整したベース流体として脱イオン水を使用しました。 、および界面活性剤は使用されませんでした。 600Wの出力電力と20kHzの周波数の電源を備えた超音波プローブ（Sonics Vibra Cell、Ningbo Kesheng Ultrasonic Equipment Co. Ltd.、中国）を適用して、1時間の振動によってナノ粒子を脱イオン水中に分散させました。ナノ粒子の濃度は、0.2、0.4、0.6、0.8、および1.0 wt。％に設定されました。

a Al ₂ の水性懸濁液のゼータ電位 O ₃ およびSiO ₂ ナノ粒子。 b SiO ₂ の水性懸濁液の典型的なTEM画像 ナノ粒子

ナノ粒子の十分に分散された水性懸濁液は、強い静電反発力を得るために高いゼータ電位で取得することができます。ゼータ電位が+ 30mVまたは-30mVを超えるナノ粒子懸濁液は、通常、文献では安定していると見なされています[26]。したがって、Al ₂ の水性懸濁液のゼータ電位 O ₃ およびSiO ₂ Zetasizer Nano ZS粒子サイズアナライザー（Malvern Instruments Ltd.、England）を使用して、さまざまな濃度のナノ粒子を測定しました。結果を図1aに示します。測定は3回繰り返され、データの再現性は1.5％の誤差の範囲内でした。すべてのナノ粒子懸濁液のゼータ電位は-30mVを超えており、Al ₂ O ₃ およびSiO ₂ ナノ粒子は水に着実に分散することができます。透過型電子顕微鏡法（TEM、JEM-100CXII、JEOL、日本）をさらに使用して、水中のナノ粒子分布を測定しました。図1bは、SiO ₂ の水性懸濁液の典型的なTEM画像を示しています。 ナノ粒子。明らかに、ナノ粒子はよく分布しています。この研究では、Al ₂ の水性懸濁液の良好な分散安定性 O ₃ およびSiO ₂ ナノ粒子は、沈降の兆候を示すことなく4日間維持できました。

ナノ粒子と超音波を利用した水凝固の実験装置を図2aに模式的に示します。以下の装置は次のとおりです。設計された冷却タンクと、サンプルを凍結するために使用される低温サーモスタット（CDC-1、Tianjin Huabei Refrigeration Technology Co. Ltd.、中国）で構成される固化システム。超音波場を提供するために使用される超音波生成システム（市販の超音波装置、Sonics Vibra-CellソニケーターJY88-IIN、Ningbo Scientz Biotechnology Co. Ltd.、中国）。温度データロガー（34970A、Agilent Technologies Co. Ltd.、米国）で構成される観測システム。凍結プロセスをリアルタイムで監視するために使用されるコンピューター。超音波照射を均一に分散させるために、超音波源を冷却タンクの中央に垂直に配置し、液体サンプルを満たしたガラス容器を超音波源から約2インチ、平行に配置しました。

a 実験装置の概略図：（1）恒温槽、（2）超音波装置、（3）温度データロガー、および（4）コンピューター。 b 水の凝固の典型的な温度プロファイル： T _F 、凍結温度; T _N 、核形成温度;およびΔ T 、過冷却度（ T の差 _F および T _N ）

実験では、体積が約20 mLのナノ粒子を含むまたは含まない水のサンプルを、0.14〜1.27 W cm ^-2 の範囲のさまざまな超音波強度の下で-20°Cで冷却しました。 。超音波照射のデューティサイクルは80％に設定されており、8秒オンから2秒オフを表しています。超音波処理は、サンプル温度が0°Cに冷却されている間に開始され、液体サンプルで氷の核生成が発生するとすぐに終了しました。超音波処理時間は非常に短く、2分未満でした。超音波によって発生する熱による液体サンプルの冷却速度の変化は、このような短時間では無視できました。図2bは、凝固時の典型的な温度プロファイルを示しています。固化プロセスは、液体冷却、相転移、および固体凍結の3つの後続段階に分けることができます。液体冷却段階では、液体状態のサンプルから顕熱が除去され、その温度が低下します。凝固点に達した後、相転移は通常すぐにはトリガーされませんが、冷却は継続されます。したがって、予冷段階の終わりに、サンプルは凝固点以下で凍結されないままになります。つまり、サンプルは過冷却されています。ある程度の過冷却の後、突然氷の核形成が起こります。その後、サンプルは相転移を起こします。この研究では、±0.2°Cの精度の銅-コンスタンタンT型熱電対を使用して温度を測定しました。同一条件下での凝固実験を少なくとも15回繰り返し、実験データの平均を計算した。平均値からの偏差は±1.5％でした。

ナノ粒子および超音波によって誘発された水の凝固の分析では、さまざまなナノ粒子濃度および超音波強度でのキャビテーション気泡の状態が、毛細管法を使用して測定されました[27]。キャビテーション法では、キャビテーション気泡間の合体によって形成される大きな不活性気泡の形成によって発生する体積変化を測定できるキャビテーションを取り付ける必要があります。凝固/融解サイクル前後のナノ粒子の水性懸濁液の吸光度値も、UV-vis分光光度計（UV9000S、Shanghai Precision＆Scientific Instrument Co.、Ltd。、中国）を使用して測定し、外来ナノ粒子の分散安定性を分析しました。凝固中の水中。実験結果の信頼性を確保するために、各サンプルに対して5つのテストが実行されました。

結果と考察

ナノ粒子と超音波によって別々に制御される水の過冷却度

ナノ粒子を使用した場合と使用しない場合の水の凝固に必要な過冷却度の比率（ R ₁ =Δ T _N /Δ T _W ）さまざまなナノ粒子濃度での図3に示します。測定された純水の過冷却度（Δ T _W ）は約11.6°Cです。過冷却度比 R ₁ は<1であり、ナノ粒子濃度の増加とともに減少します。これは、Al ₂ であることを示しています。 O ₃ およびSiO ₂ ナノ粒子は、予想通り、水の氷核形成を促進することができます。 Al ₂ O ₃ ナノ粒子は、SiO ₂ と比較して接触角が小さいため、明らかに強い核形成効果があります。 ナノ粒子。たとえば、0.6 wt。％のSiO ₂ を追加すると、水の過冷却度が28.3％減少します。 ナノ粒子、同じ濃度では、Al ₂ O ₃ ナノ粒子は水の過冷却度を37.4％減らすことができます。 SiO ₂ の弱められた核形成効果 大きな接触角によって引き起こされるナノ粒子は、ナノ粒子濃度を上げることによって補償することができます。図1に示すように、SiO ₂ の濃度を上げることで、過冷却度を37.1％下げることもできます。 ナノ粒子を0.8wt。％にします。図1は、水の過冷却度に対する超音波の影響も示しています。超音波を使用した場合と使用しない場合の水の凝固に必要な過冷却度の比率（ R ₂ =Δ T _U /Δ T _W ）は<1であり、超音波によって生成されたキャビテーション気泡が核形成剤として作用して水の氷核形成を促進できることを示唆しています。超音波のこの核形成効果は、超音波強度を上げることによって強化することができます。この研究では、1.27 W cm ^-2 の超音波強度で、水の過冷却度を83.1％削減できます。 。

水の過冷却度に対する超音波とナノ粒子の影響。 Δ T _U /Δ T _W 超音波を使用した場合と使用しない場合の水の凝固に必要な過冷却度の比率を表します。 Δ T _N /Δ T _W ナノ粒子を使用した場合と使用しない場合の水の凝固に必要な過冷却度の比率を表します

ナノ粒子と超音波によって相互に制御される水の過冷却度

図4は、水の過冷却度に対するナノ粒子と超音波の複合効果を示しています。ナノ粒子と超音波を使用した場合の水の凝固に必要な過冷却度と、ナノ粒子と超音波を使用しない場合の過冷却度の比率（ R ₃ =Δ T _N-U /Δ T _W ）は<1であり、ナノ粒子と超音波を相互に使用すると、凝固中の水の氷核形成を促進できることを示しています。ナノ粒子と超音波のこの核形成効果は、ナノ粒子濃度と超音波強度に密接に関連しています。たとえば、Al ₂ では、水の過冷却度を63.7％削減できます。 O ₃ 超音波強度が0.14から1.27W cm ^-2 に増加したときのナノ粒子濃度0.2wt。％ 。 1.27 W cm ^-2 の超音波強度で、水の過冷却度を58.1％削減できます。 Al ₂ O ₃ ナノ粒子濃度が0.2から1.0wt。％に増加します。ナノ粒子の接触角も、超音波とナノ粒子の複合効果に影響を与える重要な要素です。 Al ₂ によって制御された水の過冷却度 O ₃ ナノ粒子は、SiO ₂ によって制御されるものと比較して明らかに低いです。 同じナノ粒子濃度および超音波強度条件でのナノ粒子。たとえば、水の凝固に必要な過冷却度は、Al ₂ では70.6％減少します。 O ₃ 0.6 wt。％の濃度と0.69 W cm ^-2 の超音波強度のナノ粒子 、一方、SiO ₂ では過冷却度が56.1％低下するだけです。 同じ条件でのナノ粒子。過冷却度を同じ70.6％削減するには、SiO ₂ に1.0wt。％のより高い濃度が必要です。 接触角の大きいナノ粒子。したがって、ナノ粒子と超音波の両方によって支援される水の氷核形成は、ナノ粒子の濃度と超音波強度を増加させ、ナノ粒子の接触角を減少させることによって促進することができます。

水の過冷却度に対する超音波とナノ粒子の複合効果[ a Al ₂ O ₃ ナノ粒子、 b SiO ₂ ナノ粒子]。 Δ T _N-U /Δ T _W ナノ粒子と超音波を使用した場合の水の凝固に必要な過冷却度と、ナノ粒子と超音波を使用しない場合の過冷却度の比率を表します

ナノ粒子と超音波によって別々に相互に制御された水の過冷却度の比較

ナノ粒子と超音波が水の氷核形成に同時に影響を与える場合、最終的な効果は、すべての個々の効果の単なる追加ではないことがわかります。つまり、ナノ粒子と超音波が一緒に決定された水の過冷却度の減少は、実際には、それらが別々に決定された減少の合計よりも低くなります。たとえば、水の過冷却度はAl ₂ で70.6％減少します。 O ₃ ナノ粒子濃度0.6wt。％、超音波強度0.69 W cm ^-2 （図4a）。これは、0.6 wt。％のナノ粒子による37.4％の減少と、0.69 W cm ^-2 による52.1％の減少の合計よりも小さい値です。 超音波（図3）。さらに、ナノ粒子および超音波によって誘発される水の過冷却度の低下は、ナノ粒子によって個別に誘発されるものよりも常に大きいが、ナノ粒子の濃度および超音波強度に応じて、超音波のみによって誘発されるものよりも大きいまたは小さい場合がある。たとえば、ナノ粒子濃度が0.2 wt。％、超音波強度が0.69 W cm ^-2 の場合、水の過冷却度が47.2％減少します。 （図4a）、これは0.2 wt。％Al ₂ によって引き起こされた19.3％の減少よりも大きい O ₃ ナノ粒子ですが、0.69 W cm ^-2 による52.1％の減少よりも小さい 超音波（図3）。図5は、ナノ粒子と超音波を個別に使用した場合と、超音波を個別に使用した場合の水の凝固度の比率を示しています（ R ₄ =Δ T _N-U /Δ T _U ）さまざまなナノ粒子濃度と超音波強度で。この過冷却度比 R ₄ ナノ粒子濃度の増加と超音波強度の減少に伴い、水の量は減少します。さらに、それは低ナノ粒子濃度と高超音波強度で> 1であり、高ナノ粒子濃度と低超音波強度で<1です。

超音波とナノ粒子によって相互におよび別々に制御される水の過冷却度の比較[ a Al ₂ O ₃ ナノ粒子、 b SiO ₂ ナノ粒子]。 Δ T _N-U /Δ T _U 超音波によるものに対するナノ粒子と超音波による水の凝固に必要な過冷却度の比率を表します

この研究では、過冷却度比 R の場合、ナノ粒子と超音波の複合効果が正であると考えています。 ₄ は<1であり、過冷却度比 R の場合は負です。 ₄ は> 1です。これら2つの状況に対応する制御条件を図6に示します。この図は、すべての過冷却度比 R が描かれた赤い分割線を示しています。 ₄ 水の量は1に等しい。この分割線の上のゾーン（負のゾーン）では、すべての過冷却度比 R ₄ > 1;分割線より下のゾーン（正のゾーン）では、すべての過冷却度比 R ₄ は<1です。過冷却度比 R に対応するナノ粒子濃度と超音波強度 ₄ の1は、それぞれ臨界面積と臨界強度として定義されます。明らかに、ナノ粒子濃度と超音波強度の間には1対1の対応が存在します。つまり、ナノ粒子の濃度が高いほど、分割線上の超音波強度が高くなります。ナノ粒子濃度が特定の超音波強度での臨界濃度よりも低い場合、または超音波強度が特定のナノ粒子濃度での臨界強度よりも高い場合、過冷却度比 R ₄ 水の量はネガティブゾーンに分類され、逆にポジティブゾーンに分類されます。さらに、臨界ナノ粒子濃度と超音波強度は、ナノ粒子の接触角に関連していることがわかります。 Al ₂ の比較 O ₃ およびSiO ₂ ナノ粒子は、ナノ粒子の接触角が大きくなると、水の赤い分割線がナノ粒子の濃度が高く、超音波の強度が低い方向に移動し、ナノ粒子と超音波によって制御されるポジティブゾーンが収縮することを示しています。たとえば、制御された過冷却度比 R ₄ SiO ₂ による水の ナノ粒子は、0.4 wt。％のナノ粒子濃度と0.69 W cm ^-2 で、正のゾーンではなく負のゾーンに配置されます。 Al ₂ によって制御されるものと比較した超音波強度 O ₃ ナノ粒子。

水の過冷却度に対する超音波とナノ粒子のさまざまな効果を示す図[ a Al ₂ O ₃ ナノ粒子、 b SiO ₂ ナノ粒子]。青、赤、緑の点は、ナノ粒子と超音波を使用した水の凝固に必要な過冷却度が、それぞれ超音波を使用した場合よりも低い、等しい、高いことを表しています。

ナノ粒子と超音波の複合効果の下で固化した水の核生成分析

ポジティブゾーンとネガティブゾーンで測定された水とナノ粒子懸濁液の典型的な体積変化を図7に示します。ネガティブゾーンでは大きな体積変化がはっきりと見えますが、ポジティブゾーンではまったくありません。私たちの知る限りでは、キャビテーション気泡の成長を制御するために、整流拡散と気泡合体という2つのプロセスが関与しています。整流された拡散とは、希薄化と圧縮のサイクル中に気泡壁を横切る不均一な物質移動によるキャビテーション気泡の成長を指します。気泡の膨張段階（希薄化）の間に、水に溶解するガスが気泡に拡散します。一方、気泡の圧縮段階（崩壊）の間、気泡内のガスは気泡から拡散します。気泡合体とは、いくつかの小さなキャビテーション気泡が合体して大きな気泡を形成することを意味します。整流された拡散によって形成されたキャビテーション気泡とは異なり、気泡合体によって形成された気泡はキャビテーションサイクルを受けず、崩壊しません[28、29]。したがって、正のゾーンと負のゾーンのキャビテーション気泡は、それぞれ整流された拡散と気泡の合体によって形成される可能性があると推測されます。この研究では、正および負のゾーンでの水の凝固中のナノ粒子の分散安定性も調査され、その結果は上記の推論を裏付けています。図7に示すように、吸光度比（ R ₅ = A _A / A _B ）Al ₂ の水性懸濁液の O ₃ ナノ粒子はポジティブゾーンで大きな変化はありませんが、ネガティブゾーンでの吸光度比は大幅に低下します。 A _B および A _A は、それぞれ凝固/融解サイクルの前後のナノ粒子懸濁液の吸光度値です。この観察結果は、水中でのナノ粒子の分散安定性はポジティブゾーンでは維持できるが、ネガティブゾーンでは悪化することを示しています。この研究では、大きなナノ粒子の凝集体がネガティブゾーンに現れ、その後の融解プロセスで急速に沈降します。ポジティブゾーンでのナノ粒子の良好な分散は、整流された拡散によって形成された気泡の崩壊に続くキャビテーションジェットの衝突に起因する可能性があります。ネガティブゾーンでのナノ粒子の凝集は、気泡の合体によって形成された大きな気泡へのナノ粒子の吸着が原因である可能性があります。ポジティブゾーンとネガティブゾーンで形成されたキャビテーション気泡に関する上記の分析を図8に示します。

Al ₂ の体積と吸光度の変動 O ₃ さまざまなナノ粒子濃度での外部超音波によって引き起こされるナノ粒子懸濁液

ポジティブゾーンとネガティブゾーンに形成されたキャビテーション気泡を示す概略図

ナノ粒子とキャビテーション気泡は、上記のように水の過冷却度を下げるための核剤として機能することができます。ナノ粒子が超音波エネルギーを吸収および散乱できることを考えると、気泡の数とサイズを減らす必要があります。結果として、キャビテーション気泡の核形成効果は、ナノ粒子の存在下で弱まる可能性があります。したがって、水の凝固においてナノ粒子と超音波を別々に使用することよりも相互に使用することの優位性は、外来ナノ粒子の核形成効果がキャビテーション気泡の弱められた効果を補うことができるかどうかに依存します。私たちの実験結果は、ポジティブゾーン（ R ₄ <1）、ナノ粒子と超音波の複合効果は、それぞれの効果よりも強力ですが、これらのそれぞれの効果の追加を超えることはありません。この結果は、キャビテーション気泡の弱められた効果がポジティブゾーンで補償できることを示唆している。ネガティブゾーン（ R ₄ > 1）、大きなサイズのキャビテーション気泡は気泡合体経路を介して形成され、ナノ粒子への強い吸着を示します。その結果、2つの核形成サイトの総数が減少するため、ナノ粒子と気泡の複合効果が弱まります。この結果は、ナノ粒子および超音波によって誘発される水の核形成に必要な過冷却度が、負のゾーンで同じ超音波強度で超音波のみによって誘発されるものよりも高い理由である可能性があります。

一般に、整流拡散によって誘発された気泡から気泡合体によって誘発された気泡への変換を実現するには、特定のエネルギー障壁を克服する必要があります。同様に、整流された拡散によって誘発された気泡は、超音波の強度をある程度増加させることによって、気泡合体によって誘発された気泡に変換することができる。さらに、ナノ粒子に水を加えると、超音波のエネルギーを吸着して反射することにより、整流拡散によって誘発される気泡の形成を促進することができます。さらに、キャビテーション気泡は一般にミクロン範囲にあり、ナノ粒子よりもかなり大きいため、気泡壁に隣接するナノ粒子にはシェル効果があります[30]。水中に分散したナノ粒子は帯電した表面を持っており、これらのナノ粒子からなるシェルはそれに応じて帯電する必要があります。図1に示すように、ナノ粒子懸濁液は比較的高いゼータ電位を持っています。したがって、Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek理論[31]によれば、シェルの静電反発力によって気泡の合体を抑制することができます。ナノ粒子濃度の増加は、ナノ粒子の吸収とシェル効果を確実に強化することができ、したがって、整流された拡散によって誘発された気泡の形成に寄与する。要するに、超音波強度を減少させ、ナノ粒子濃度を増加させることは、整流された拡散によって誘発された気泡の形成を容易にすることができる。したがって、整流拡散によって誘発された気泡が気泡合体によって誘発された気泡に変換される、高いナノ粒子濃度に対応する臨界超音波強度は、低いナノ粒子濃度に対応するものよりも高くなければならない。したがって、この研究では、分割線上の臨界ナノ粒子濃度と超音波強度は正の相関関係にあります（図6）。ナノ粒子の接触角も、ナノ粒子と超音波によって制御される水の氷核形成に影響を与える重要な要因であることが証明されています。ナノ粒子の接触角が小さくなると、分割線上の臨界ナノ粒子濃度が低下し、臨界超音波強度が上昇します（図6）。この結果は、水との親和性が高く、接触角が小さいナノ粒子がより安定して水中に分散し、整流拡散誘起気泡の形成を促進するシェル効果が強いことに起因している可能性があります。接触角が大きいナノ粒子と比較して。

結論

この研究では、ナノ粒子と超音波の影響下での水の凝固プロセスを相互に別々に調査します。異物ナノ粒子とキャビテーション気泡は、核形成サイトとして機能し、水の不均一な核形成を促進する可能性があります。超音波によって生成されるキャビテーション気泡のタイプに基づいて、水の凝固を整流拡散駆動凝固と気泡合体駆動凝固に分けます。整流拡散駆動の水の凝固では、外来ナノ粒子を超音波場にさらされた水に均一に分散させることができます。したがって、超音波とナノ粒子が一緒に助けられる水の凝固は、核形成部位の総数の増加のために、超音波またはナノ粒子のみによって助けられるものと比較して、より低い過冷却度で起こり得る。それどころか、気泡合体によって引き起こされる水の凝固におけるナノ粒子の大きなサイズのキャビテーション気泡の吸着は、有効な核形成部位の数の減少につながる。結果として、ナノ粒子と超音波が一緒に支援される水の凝固には、より高い過冷却度が必要です。潜熱蓄熱材の過冷却度が低く安定性が高いという要件を考慮すると、超音波とナノ粒子を相互に使用することは、別々に使用する場合と比較して、精留拡散駆動凝固における水の氷核形成を促進するためのより良い方法です。気泡合体による水の凝固では状況が逆転します。

ナノ粒子濃度、接触角、および超音波強度は、超音波およびナノ粒子による制御された水の凝固のタイプを決定する3つの重要な要因です。ナノ粒子と超音波によって相互にかつ別々に支援される水の凝固に必要な過冷却度が相互にかつ別々に等しい臨界超音波強度とナノ粒子濃度は、ナノ粒子の接触角によって正の関係があり、影響を受けることがわかります。つまり、接触角の増加に伴い、臨界超音波強度が減少し、臨界ナノ粒子濃度が増加します。整流拡散駆動の水の凝固は、超音波強度が低く、ナノ粒子濃度が臨界値よりも高いゾーンに存在します。そうでなければ、気泡合体によって引き起こされる水の凝固が存在します。ナノ粒子の接触角を小さくすると、整流拡散駆動および気泡合体駆動の水の凝固ゾーンがそれぞれ拡大および縮小する可能性があります。

略語

TEM：

透過型電子顕微鏡