Исследователи из Испании и Великобритании обнаружили, что твердый углеводород неопентилгликоль, являющийся одним из компонентов смазочных материалов и красок, демонстрирует охлаждающие свойства, не уступающие фреонам и другим жидким хладагентам. Результаты их работы и возможные направления использования опубликованы в издании Nature Communications.
«Современные холодильные и кондиционирующие устройства, применяющие фреоны и углеводороды, не только наносят вред экологии, но и работают с ограниченной эффективностью. Именно это придаёт нашему открытию особую значимость — в настоящее время на их работу уходит до 20% всей вырабатываемой электроэнергии, и в будущем потребление будет только увеличиваться», — отметил Хавьер Мойя (Xavier Moya) из Кембриджского университета (Великобритания).
Холодильные приборы и кондиционеры функционируют на основе простого физического явления, регламентируемого вторым законом термодинамики. Как было выявлено учеными ещё в конце XVIII века, при испарении жидкости или быстром расширении её пара из-за снижения давления, она активно поглощает тепло, тем самым охлаждая окружающую среду.
В то же время процесс конденсации вызывает обратное действие — жидкость или сжатый газ выделяют тепловую энергию. Характеристики и скорость этих фазовых переходов, как называют их физики, значительно различаются у различных хладагентов.
На сегодня наиболее эффективными агентами являются фреоны — фторсодержащие соединения углеводородов и других галогенов, открытые американскими специалистами почти сто лет назад. Они получили широкое применение до середины 1980-х годов, пока исследователи из MIT не выявили их негативное воздействие на озоновый слой.
Этот факт привёл к запрету выпуска и использования самых вредных разновидностей фторуглеродов, а также спровоцировал поиски альтернатив с такими же охлаждающими характеристиками. В последующие 30 лет было синтезировано множество новых фторсодержащих соединений, которые не разрушают озон, но обладают выраженным парниковым эффектом.
Мойя с коллегами уже много лет занимаются разработкой принципиально новых технологий охлаждения, стремясь получить твердотельные аналоги фреонов с применением так называемых пластических кристаллов — особого состояния вещества, в котором сочетаются свойства жидкости и настоящего кристалла.
Это выражается в том, что молекулы выстраиваются в упорядоченную, периодичную структуру, как в кристаллах, но при этом сохраняют подвижность и способны вращаться вокруг своей оси, подобно жидким соединениям. По словам Мойи, любые изменения давления на пластические кристаллы вызывают резкую перестройку их структуры, превращая их либо в твердый кристалл, либо в жидкость, что сопровождается выделением либо поглощением тепла.
Долгое время учёные пытались применять эти материалы в качестве хладагентов, однако они существенно уступали фреонам по эффективности — в сотни или тысячи раз. Именно неожиданное открытие британских и испанских химиков позволило преодолеть эту проблему при изучении физико-химических свойств молекул неопентилгликоля — пластического кристалла, широко используемого для стабилизации красок, смазок и пластификаторов.
Сжимая его до давления около 2500 атмосфер, специалисты обнаружили, что неопентилгликоль способен поглощать огромные объемы тепловой энергии, сопоставимые с энергией, выделяющейся или поглощающейся при фазовых переходах фреона R134a, одного из наиболее популярных современных хладагентов.