セミクラスレートハイドレートの非古典的分解過程の発見~潜熱蓄熱材の設計に新指針~

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2025-03-21 北海道大学

北海道大学低温科学研究所の木村勇気教授らの研究グループは、液中透過電子顕微鏡を用いて、セミクラスレートハイドレートの分解過程をその場観察することに成功しました。観察の結果、結晶は従来のように一様に崩壊するのではなく、多数のかご状構造から成るクラスターが脱離するという“非古典的”な分解過程をたどることが明らかになりました。これにより、相変化を利用する潜熱蓄熱材のより効率的な設計に新たな指針を提供する成果となりました。

<関連情報>

潜熱蓄熱材用テトラ-n-ブチルアンモニウムフッ化物セミクラスレート水和物の単結晶からのクラスター単位溶解の透過電子顕微鏡イメージング Transmission Electron Microscopy Imaging of Cluster Unit Dissolution from a Single Crystal of Tetra-n-butylammonium Fluoride Semiclathrate Hydrate for Latent-Heat Storage Material

Hironobu Machida,Takeshi Sugahara,Hideki Hata,Tomohiko Ueda,Tomoya Yamazaki,and Yuki Kimura
ACS Applied Nano Materials  Published: March 9, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acsanm.4c06819

Abstract

セミクラスレートハイドレートの非古典的分解過程の発見~潜熱蓄熱材の設計に新指針~

A nonclassical phase-transition model in which clusters act as the growth units has gained acceptance, contrasting with the classical phase-transition model where atoms or molecules attach or detach individually. However, this cluster-based model for phase transitions has not been established in phase transitions of semiclathrate hydrates, latent-heat storage materials, in which cage structures form and dissociate at the crystal surface. Using liquid-cell transmission electron microscopy, we directly observed the dissociation behavior of a single crystal of tetra-n-butylammonium fluoride semiclathrate hydrate induced by electron-beam irradiation. Early dissociation stages showed moiré patterns, indicating that a 10–30 nm region of the crystal surface had transitioned to a metastable phase. Subsequently, spherical clusters, potentially responsible for the memory effect that facilitates recrystallization after dissociation, appeared without diffraction contrast attributable to crystal. These observations provide insights into nonclassical dissociation processes of hydrates to understand the phase transition of latent-heat storage materials.

1700応用理学一般
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