Разработчики рассмотрели процесс хранения этанола, обычного жидкого топлива, в геле химически сшитого поли-(N-изопропилакриламида). Они проверили, помогло ли улавливание молекул этанола в длинных и химически переплетенных полимерных цепях PNIPAAm снизить скорость его испарения. Чтобы проверить это, исследователи создали небольшие сферы из геля PNIPAAm, наполненного этанолом, и поместили их на электронные весы, чтобы записать, как масса менялась при испарении этанола. Они также провели этот эксперимент с эквивалентной дозой этанола примерно с такой же площадью поверхности и массой, что и гелевая сфера.
Химики обнаружили, что хранение этанола в полимерном геле полностью подавляет склонность топлива к быстрому испарению. Вероятно, это связано с тем, что молекулы этанола «захвачены» гелем, как объясняет профессор Хосоя: «Полимерный гель содержит бесчисленное множество трехмерных полимерных цепей, которые сильно химически сшиты. Эти цепи связывают молекулы этанола посредством различных физических взаимодействий, ограничивая его испарение в процессе». Интересно, что загруженный гель не ведет себя, как мокрое полотенце. В то время, как влажное полотенце выделяет жидкость при сжатии, полимерный гель не выделял этанол под действием внешних сил.
Решив проблему испарения, команда перешла к изучению фактических характеристик горения этанола в сети полимерного геля, чтобы увидеть, эффективно ли они горят. Они поджигали заполненные этанолом гелевые сферы различных размеров и наблюдали за изменением их массы и профилей формы в режиме реального времени. На основании этого они определили, что горение загруженных гелевых сфер PNIPAAm состоит из двух фаз: фаза, в которой преобладает горение чистого этанола, за которой следует вторая фаза, в которой преобладает горение самого полимера PNIPAAm.
Посредством последующего теоретического анализа этих результатов команда пришла к важному выводу: первая и основная фаза сгорания загруженных гелевых сфер PNIPAAm следует модели постоянной температуры капель. Это означает, что горение геля с этанолом может быть описано той же моделью, что и для капель жидкого топлива, намекая на то, что характеристики их горения должны быть схожими.
«Хранение полимерного геля может предотвратить взрывы и пожары за счет резкого сокращения испарения топлива и, в свою очередь, образования горючих газовых смесей, которые легко могут произойти в результате утечки в хранилище», — объясняет профессор Хосоя.
Жидкое топливо с высокой плотностью энергии необходимо во многих случаях, когда химическая энергия преобразуется в управляемое движение, например, в ракетах, газовых турбинах, котлах и некоторых двигателях транспортных средств. Помимо характеристик горения и производительности, также важно гарантировать безопасность и стабильность этих видов топлива при использовании, а также при транспортировке и хранении.
Одна из распространенных опасностей при работе с жидким топливом заключается в том, что оно может быстро испаряться в ограниченном пространстве, образуя облака легковоспламеняющихся газов. Это может привести к взрывам или пожарам. Чтобы решить эту проблему, исследователи рассмотрели возможность использования загущенного топлива или топлива, превращающегося в густые гелеобразные вещества при низких температурах. К сожалению, есть много аспектов, которые необходимо оптимизировать, и препятствий, которые необходимо преодолеть, прежде чем желатинизированное топливо сможет выйти за рамки этапа исследований.
Читать далее
Посмотрите на «бесшумный» дрон с ионным двигателем нового поколения
Самцы древних трилобитов пристегивали самок во время спаривания
У России и США есть самолеты Судного дня: как и куда они полетят в случае конца света