Пористый ацетат целлюлозы защитил мороженое и ледник от таяния

Физики изготовили биоразлагаемую пленку из пористого ацетата целлюлозы, которая показала рекордные свойства по сохранению льда от таяния под действием прямых солнечных лучей. С помощью нее удалось эффективно сохранить холод в замороженных продуктах, включая мороженое. В ходе экспериментов и симуляций пленка также зарекомендовала себя в качестве хорошей защиты от таяния для ледников и айсбергов. Исследование опубликовано в Science Advances.

Лед занимает важное место в различных аспектах человеческой деятельности, начиная от сохранения продуктов питания и заканчивая спортивными мероприятиями. И во всех из них необходимо сохранять лед от таяния, в том числе в условиях прямых солнечных лучей. Подсчитано, что работа холодильных установок, необходимая для сохранения 40 процентов продуктов питания в мире (около 400 миллионов тонн), потребляет 11 процентов мировой электроэнергии. Сохранение льда — это также и экологическая проблема, связанная с глобальным изменением климата.

Исследуя тепловой баланс тающего на солнце льда, физики выяснили, что основной поток энергии он получает, поглощая излучение в диапазоне от 0,3 до 2,5 микрометров, но при этом испускает чернотельное излучение в диапазоне от 2,5 до 18 микрометров (соотношение тепловых потоков зависит от множества факторов, в том числе от географической широты). Этот факт указал на возможность пассивно сохранять лед от таяния оптическими методами. Физика уже знает примеры таких технологий, которые основаны на материалах фотоники, наночастицах, нанопорах и сверхбелых красках. Мощности охлаждения, достигаемые таким путем, варьируются от 40 до 100 ватт на квадратный метр, а достижимые температуры — от 3 до 13 градусов в солнечный день.

Но для сохранения льда эти технологии пока не подходят. Во-первых, чтобы удерживать его температуру ниже нуля, нужен теплоотвод мощностью 70-110 ватт на квадратный метр. Во-вторых, материалы для радиационного охлаждения должны быть чрезвычайно распространенными и масштабируемыми с минимальным воздействием на окружающую среду.

Цзя Чжу (Jia Zhu) из университета Нанджунга с американскими и китайскими коллегами нашли такой материал. Им оказались биоразлагаемые пленки из иерархически структурированного ацетата целлюлозы. Пленки представляют собой переплетенные между собой методом электроспиннинга нити, между которыми образуются разномасштабные поры с размерами о 0,5 до 3 микрометров. Такая конфигурация обеспечивает эффективное рассеяние солнечного света. При этом материал обладает высоким коэффициентом излучения в среднем инфракрасном диапазоне благодаря разнообразию частот, вызванному деформацией межатомных связей в аморфных макромолекулярных цепях ацетата целлюлозы. Физики убедились в этом, сравнивая оптические свойства изготовленных пленок с другими пассивно охлаждающими материалами: алюминиевой пленкой, пленкой PET-Al-PE, белой бумагой. Во всех случаях их материал отражал больше солнечного света и интенсивнее излучал.

Авторы провели несколько экспериментов, чтобы оценить охлаждающие способности новых пленок. В рамках одного из них они заворачивали замороженные продукты в различные материалы, оставляли под прямыми солнечными лучами и измеряли, сколько времени температура в них продержится отрицательной. Для пленок на основе ацетата целлюлозы это время составило 5,5 часов против 3,7, 3,8 и 2,6 часов для белой бумаги, алюминиевой и PET-Al-PE-пленки соответственно. В другом опыте физики оставляли мороженое в пакетах из разных материалов на 80 минут. Его целостность для нового материала составила 98 процентов против менее 50 процентов для аналогов.

Ученых также интересовала способность новых пленок противостоять таянию природного льда и снега в высоких широтах. Для этого они изготовили установку, которая имитировала соответствующие условия, и показали, что температура небольших кусочков льда, покрытых новым материалом в среднем на семь градусов ниже, чем у непокрытых. Для более масштабного результата физики покрыли пленкой 80 квадратных метров ледника Урумчи-1. Они обнаружили, что по истечению 20 дней покрытая часть возвышалась над непокрытой на 70 сантиметров.

Авторы также провели моделирование того, как новый материал влияет на более крупные ледяные структуры. В качестве объекта исследования они выбрали один из айсбергов площадью несколько квадратных километров, обнаруженный у берегов острова Баффинова Земля. Этот айсберг потерял за летний сезон один метр толщины. Расчеты показали, что если бы он был покрыт пленкой из структурированного ацетата целлюлозы, то, наоборот, приобрел бы столько же ледяной массы. Похожие расчеты физики провели и для бо́льших площадей.

Изготовленный материал меняет в первую очередь радиационный нагрев и охлаждение и не затрагивает другие типы теплопередачи. Однако физики постепенно учатся управлять и ими тоже. Например, недавно они создали материал с рекордной анизотропией теплопроводности.

Марат Хамадеев