Прадухіленне раставання снегу і лёду на сонцы ўстойлівым спосабам з'яўляецца важнай праблемай у многіх сферах чалавечага жыцця, ад штодзённага харчавання з халоднай ланцугом да лядовых відаў спорту да раставання айсбергаў на вялікіх вышынях/шыротах. Паводле статыстыкі, 40% кансерваваных у свеце прадуктаў харчавання (каля 400 мільёнаў тон) захоўваецца праз халадзільны ланцуг, які спажывае 11% сусветнай электраэнергіі і складае каля 2.5% сусветных выкідаў парніковых газаў.

Раставанне лёду на сонцы звязана са зменамі ў патоку энергіі ў сістэме лёду. Малюнак 1 абагульняе тыповы цеплавы паток лёду на розных шыротах. Як відаць з малюнка, сонечнае выпраменьванне (даўжыня хвалі 0.3~2.5 мкм) з'яўляецца асноўнай цеплавой нагрузкай, якая выклікае павышэнне тэмпературы лёду і наступнае раставанне. Між тым, сярэдняе інфрачырвонае выпраменьванне (даўжыня хвалі 2.5~18 мкм) з'яўляецца асноўным патокам энергіі, каб супрацьстаяць гэтай тэндэнцыі. Такім чынам, гэта мае вялікае практычнае значэнне, каб даследаваць устойлівы спосаб збалансаваць гэты паток энергіі, каб дасягнуць пасіўнай абароны розных сістэм лёду пад сонечным святлом.

Малюнак 1. Рэпрэзентатыўны цеплавы паток лёду на розных шыротах

Нядаўні бум дзённага радыяцыйнага астуджэння прапануе стратэгію збалансавання патоку энергіі. Даследчыкі распрацавалі розныя спецыяльныя матэрыялы і структуры, такія як шматслойныя/фатонныя структуры з малюнкам, плёнкі на аснове наначасціц/порыстых палімераў, астуджаная драўніна і звышбелыя пакрыцці (каэфіцыент адлюстравання сонца больш за 0.95). Эксперыментальная магутнасць астуджэння вышэйзгаданага метаду можа дасягаць 40~100 Вт·м-2 пры ясным дзённым святле, а тэмпература астуджэння ніжэй за тэмпературу навакольнага асяроддзя складае 3~13°C. Тым не менш, каб захаваць лёд на сонцы, у дадатак да традыцыйных меркаванняў існуе некалькі строгіх патрабаванняў. Перш за ўсё, у практычных умовах лёд павінен мець больш нізкую тэмпературу, таму ён мае патрэбу ў вельмі высокай прадукцыйнасці радыяцыйнага астуджэння. Напрыклад, было падлічана, што павелічэнне чыстай магутнасці выпраменьвання з 70 Вт·м-2 да 110 Вт·м-2 можа прадухіліць раставанне лёду/замарожаных прадуктаў без неабходнасці дадатковых халадзільных установак. Акрамя таго, для асаблівых патрабаванняў крыякансервацыі матэрыялы для радыяцыйнага астуджэння павінны быць у вялікай колькасці, масава вырабляцца і мець нізкі ўплыў на навакольнае асяроддзе.

Па гэтай прычыне Цзя Чжу і Мінхуай Ван з Нанкінскага ўніверсітэта распрацавалі слаістую радыяцыйна астуджаную тонкую плёнку на аснове ацэтату цэлюлозы, якая можа вырабляцца масава, экалагічна чыстая і забяспечвае эфектыўную пасіўную абарону для розных формаў/памераў лёду. на сонца. Гэтая праца з'яўляецца важным спосабам распрацоўкі эфектыўнага, масавага і ўстойлівага захавання снегу і лёду, а таксама дае натхненне для падыходаў да захавання іншых ключавых элементаў экасістэмы. Даследаванне апублікавана ў Science Advances у артыкуле пад назвай "Абарона лёду ад раставання пад сонечным святлом з дапамогай радыяцыйнага астуджэння".

Распрацоўка і характарыстыка тонкіх плёнак радыяцыйнага астуджэння

Уласная вібрацыя малекул дазваляе плёнкам CA мець шырокапалосны дыяпазон і высокую інфрачырвонае выпраменьванне, што спрыяе высокаэфектыўнаму шырокамаштабнаму астуджэнню. Індывідуальныя пары дзейнічаюць як эфектыўныя цэнтры рассейвання сонечнага выпраменьвання, што дае плёнцы CA высокую сонечную адбівальную здольнасць. Такім чынам, шматслаёвая канструкцыя плёнкі мінімізуе цеплавую нагрузку лёду пры сонечным святле і дасягае эфектыўнай пасіўнай абароны ледзяной сістэмы на розных шыротах. У канцы жыццёвага цыкла слаістыя плёнкі CA могуць пераварвацца мікраарганізмамі ў прыродзе і раскладацца на CA. Слаістыя плёнкі CA вырабляюцца з натуральнай цэлюлозы, якая шырока сустракаецца ў мембранах раслінных клетак і можа быць атрымана з зародкаў клетак натуральных раслін.

ФІГ. 2 Шматслойная канструкцыя і жыццёвы цыкл порыстай мембраны CA

Даследчыкі дасягнулі жаданых аптычных уласцівасцей CA-плёнкі з дапамогай слаістай канструкцыі і вымералі тэмпературу астуджэння і астуджальную здольнасць CA-плёнкі. Тэмпература астуджэння вызначаецца як зніжэнне тэмпературы плёнкі ад тэмпературы навакольнага асяроддзя. Пад прамымі сонечнымі прамянямі шматслойная плёнка CA дасягае магутнасці астуджэння да 110 Вт·м-2 і тэмпературы астуджэння каля 12 ℃, што пацвярджае добрую здольнасць шматслойнай плёнкі CA да радыяцыйнага астуджэння.

Малюнак 3. Захаванне лёдам/астуджанай ежы на адкрытым паветры ў раёнах нізкіх/сярэдніх шырот

Плёнка з радыяцыйным астуджэннем для абароны ад лёду і снегу

Лёд і снежныя паверхні (дробныя крышталікі лёду) - дзве тыповыя формы рэльефу. Яны маюць розны каэфіцыент адлюстравання сонца, але аднолькавы каэфіцыент выпраменьвання ў сярэднім інфрачырвоным дыяпазоне. Даследчыкі прадэманстравалі пасіўны астуджальны эфект слаістай мембраны CA на паверхні лёду і снегу. Як паказана на малюнку ніжэй, у працэсе раставання лёду ў высокіх шыротах дамінуюць працэсы радыяцыйнай перадачы энергіі ў выніку выхаду сонечнай радыяцыі і сярэдняга інфрачырвонага выпраменьвання. Паколькі сонечнае выпраменьванне, якое падае, і выхад сярэдняга інфрачырвонага выпраменьвання не залежаць ад памеру плошчы паверхні, даследчыкі выкарыстоўвалі невялікія эксперыменты, каб ацаніць астуджальны эфект слаістай плёнкі CA на лёдзе ў высокіх шыротах. Вынікі паказваюць, што розніца тэмператур паміж плёнкамі CA са слаістай канструкцыяй і без яе дасягае 6.3 ℃. Як паказана на малюнку C ніжэй, нават пры сярэдняй магутнасці сонечнага выпраменьвання каля 700 Вт·м-2 тэмпература паверхні лёду са слаістай плёнкай CA прыкладна на 7 ℃ ніжэй тэмпературы навакольнага асяроддзя. Акрамя лёду, шматслаёвая плёнка CA таксама забяспечвае добрую абарону снежнай паверхні. Даследчыкі правялі палявыя выпрабаванні на снежных паверхнях са слаістай мембранай CA і без яе. Вынікі паказалі, што снег са слаістым матэрыялам CA меў на 50 працэнтаў больш рэшткаў, чым голы снег. Далейшыя вынікі непасрэдна пацвярджаюць, што радыяцыйная астуджальная плёнка можа эфектыўна запаволіць раставанне мясцовых леднікоў.

ФІГ. 4. Абарона ад снегу і лёду слаістай канструкцыяй CA плёнкі

Змадэляваны і прааналізаваны астуджальны эфект лёду ў вобласці высокіх шырот

Даследчыкі выкарыстоўвалі мадэль для ацэнкі чаканага астуджальнага эфекту плёнкі ў маштабе. Даследчыкі выкарыстоўвалі тэрмадынамічныя мадэлі для вывучэння раставання айсберга (кавалак лёду, які адрываецца ад свайго роднага ледавіка), які мае памеры дзясяткі квадратных кіламетраў (памер вялікага гарналыжнага курорта). Аказалася, што айсберг страціў 1 метр сваёй таўшчыні праз раставанне за лета. Наадварот, шматслойныя CA-мембраны дадаюць 1 м да таўшчыні айсберга. Акрамя таго, даследчыкі выкарыстоўвалі эксперыменты з кліматычнай мадэллю, каб пашырыць слаістыя плёнкі CA на марскі лёд у рэгіёне плыні Бафорта. У гэтых канкрэтных раёнах канцэнтрацыя марскога лёду, абароненага CA-плёнкай, павялічылася на 5% да 40%, а таўшчыня павялічылася на 0.5-2.5 м, што сведчыць аб тым, што метад можа эфектыўна абараніць ледзяную сістэму ў рэгіёне/мэты ў высокіх шыротах.

Нарэшце, была ў поўнай меры разгледжана здольнасць да біяраскладання шматслойнай мембраны СА ў канцы тэрміну яе службы. Выпрабаванні ўздзеяння глебы (пры 31 ° паўночнай шыраты ў Нанкіне) паказалі, што шматслойныя мембраны CA дэманструюць найлепшую біяраскладальнасць у розных палімерах для распрацоўкі матэрыялаў для радыяцыйнага астуджэння. Такім чынам, лічыцца, што ён забяспечвае экалагічна чыстую абарону снегу і лёду на розных шыротах.

Малюнак 5. Абарона ледзяных даменаў у высокіх шыротах