Les chercheurs ont résolu un mystère qui confondait les scientifiques depuis 80 ans: la structure cristalline du bromure de tétra-n-butylammonium (TBAB) Hydrate TBAB · 26H2O. Cette substance appartient à une classe de matériaux cristallins appelés hydrates de semi-rathrate, qui se forment à partir de la combinaison des ions et de l'eau.
Depuis sa découverte en 1940, cet hydrate TBAB a été largement utilisé dans une gamme d'applications, y compris la climatisation. Comprendre la structure cristalline de cet important hydrate semi-rathrate aidera les scientifiques et les ingénieurs à mieux utiliser l'hydrate de TBAB.
Les résultats ont été partagés dans un article publié dans Croissance des cristaux et conception le 17 juillet.
« Pendant 80 ans, la structure cristalline de l'hydrate de TBAB largement utilisé (TBAB · 26H2O) n'est resté pas résolu, malgré son importance dans les applications de stockage d'énergie thermique. Cette ambiguïté structurelle a entravé à la fois la compréhension scientifique et l'optimisation pratique du matériau. Notre objectif était de déterminer définitivement la structure en utilisant le rayonnement synchrotron et de clarifier son arrangement moléculaire « , a déclaré Sanehiro Muromachi, professeur agrégé à l'Université nationale de Yokohama à Yokohama, au Japon et Hironobu Machida, ingénieur en chef à Panasonic Corporation à Osaka, au Japon.
Les matériaux fonctionnels à base d'eau – y compris les hydrogels, les polymères aqueux, les cristaux liquides et les hydrates de clathrate – prennent l'avantage des propriétés uniques de l'eau et sont utilisés dans une variété de processus industriels. L'eau est abondante et durable, ce qui en fait une partie importante des processus industriels durables. Tbab · 26h2O est un hydrate semi-rathrate qui peut stocker une énergie fraîche à des températures adaptées aux applications de climatisation. Il est composé d'une molécule invitée de TBAB entourée d'une cage liée à l'hydrogène des molécules d'eau.
Alors que d'autres semiclathrates hydrates avec une molécule invitée TBAB ont eu leurs structures découvertes, la structure cristalline de TBAB · 26H2O est resté un mystère malgré sa large utilisation. Des recherches antérieures ont suggéré une structure de réseau tétragonale, mais cela n'a pas pu expliquer pleinement toutes les propriétés de TBAB · 26H2O.
Les chercheurs ont utilisé une installation de rayonnement synchrotron appelé Super Photon Ring-8, ou Spring-8 à Sayo Town, au Japon. Pendant le rayonnement synchrotron, les particules chargées partent le long d'un chemin incurvé et libèrent le rayonnement électromagnétique. La structure de l'hydrate tétragonal TBAB était une structure d'hydrate de type III de Jeffrey, l'un des types connus, mais avec des caractéristiques uniques. Il a une composition identique à celles trouvées dans un autre hydrate de semi-rathrate TBA appelé TBA (non3), mais avec un arrangement différent résultant en un cristal plus dense.
Comprendre cette nouvelle structure révèle des propriétés de stockage de chaleur de TBAB · 26H2O, qui peut être appliqué à une variété d'applications pratiques. En particulier, il introduit de nouvelles options de conception de matériaux de stockage de chaleur basés sur les hydrates. C'est une constatation importante qui peut aider à réduire le CO2 émissions.
« Nous avons réussi à résoudre la structure cristalline de TBAB · 26H2O Pour la première fois, révélant une superstructure tétragonale unique qui accueille le cation TBA dans une nouvelle configuration de cage « , a déclaré Muromachi.
« Cette structure explique les caractéristiques de stockage de la chaleur du matériau et fournit de nouveaux principes de conception pour les matériaux fonctionnels à base d'hydrate. Comprendre cette structure ouvre la porte à l'ingénierie d'un meilleur stockage thermique et applications connexes », a déclaré Machida.
À l'avenir, les chercheurs prévoient d'utiliser cette nouvelle compréhension de la structure cristalline de l'hydrate de TBAB pour créer des matériaux avancés à base d'eau et contribuer à des technologies éconergétiques, telles que la climatisation, la séparation des gaz et la capture du carbone.
« L'étape suivante consiste à appliquer ces connaissances structurelles et à chercher à étendre ces principes structurels à d'autres systèmes de formation d'hydrate, y compris les polymères et la matière douce », Muromachi.
Les autres contributeurs incluent Nobuhiro Yasuda et Hiroyasu Masunaga du Japon Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI); Takeshi Sugahara de l'Université d'Osaka; et Hironobu Machida de la Panasonic Corporation.
