Construction and performance test of high stability heat storage microcapsules based on physical regulation of nano-SiO2

現代の生活を支える資源を採掘する地下深くでは、地球そのものが危険源となります。これらの深いトンネルでは、岩石が非常に高温になるため、温度が摂氏40度を超えることもあり、作業員の健康と操業の安全を脅かす過酷な環境を作り出します。これに対抗するため、エンジニアたちは巧妙な解決策を導入しています。それは、採掘後に残された空隙を、熱を吸収・蓄積して鉱山を冷却する「熱のスポンジ」として機能する特殊なコンクリートで埋めることです。このスポンジの鍵となる成分は、ロウソクに使われるものと同じパラフィンであり、これは溶ける際に熱を吸収することに非常に優れています。しかし、パラフィンにはこの仕事において致命的な欠点があります。熱くなると液体に変化して漏れ出し、コンクリートの強度を損ない、周囲を台無しにしてしまうのです。これを解決するために、科学者たちはパラフィンを微小な保護層で包み込み、熱が上昇しても固形を保ち、閉じ込められた状態を維持できる微細なカプセルへと変貌させました。

山東科技大学と河南工程学院の研究チームは、これら微細なカプセルをより強く、より安全にすることに乗り出しました。彼らは、一般的な工業用樹脂で作られたシェル（殻）はしばしば強度が不足しており、製造過程で毒性のある化学物質を漏らす可能性があることを知っていました。これら両方の問題を同時に解決するために、彼らは混合物に、本質的には微細なガラスの粉末であるナノシリカを極少量導入しました。彼らは、この微細な粉末がコンクリート内の鉄筋のようにシェルを補強すると同時に、製造過程で残る不要な毒性化学物質を吸収するスポンジとしても機能するかどうかを確かめたいと考えました。ナノシリカの添加量を注意深く調整することで、彼らは過酷な深部鉱山の条件にも耐えうる優れた材料を生み出す、精密なバランスを発見しました。

研究者たちはまず、液状のワックス液滴の周囲に層を一層ずつ構築していくプロセスを用いて、ワックス、樹脂、およびナノシリカを水系溶液の中で混合することから始めました。彼らは、この粉末が最終製品をどのように変化させるかを見るために、ナノシリカの量を全く含まない状態から数パーセントの割合まで、5つの異なる添加量でテストを行いました。強力な顕微鏡でカプセルを観察すると、その違いは明白でした。ナノシリカを含まないカプセルは、不均一に収縮した焼き上がりの悪いクッキーのように、表面が粗く、小さな穴や凹みがありました。これらの不完全さは、後にワックスが漏れ出すための脱出路を提供してしまうため、非常に危険です。研究者がナノシリカを増やしていくにつれて、表面はより滑らかで緻密になりました。微細なガラス粒子が微小な隙間を埋め、引き締まった継ぎ目のない皮膚を作り出したのです。しかし、粉末を加えすぎると、粒子が硬い塊となって凝集し、それが逆にシェルの新たな亀裂や弱点を作り出してしまいました。「スイートスポット（最適値）」は、粒子が完璧に分散され、塊になることなく穴を埋めている、特定の低用量で見出されました。

最も優れた外観を持つカプセルを手に入れたチームは、それらがどれほど熱を蓄えられるかをテストしました。彼らはカプセルを加熱し、それがどのように溶け、再び冷却されるかを観察しました。最適な量のナノシリカを含むカプセルは、極めて優れた性能を示しました。これらは摂氏46度弱の温度で溶け始めましたが、これは深部鉱山の熱を吸収するのに最適です。さらに重要なことに、これらは純粋なワックスとほぼ同等の熱エネルギーを保持しており、シェルが材料の主要な役割を妨げていないことが証明されました。また、ナノシリカは、冷却時にワックスがより速く固体へと戻るのを助け、「過冷却（液体が本来凍るべき温度でも液体のままの状態である現象）」と呼ばれる現象を抑制しました。これにより、カプセルは温度変化に対してより迅速に反応できるようになり、冷却システムをより効率的にしました。

研究では、これらのカプセルを作る際の環境面についても調査が行われました。樹脂のシェルを作るプロセスでは、通常、遊離ホルムアルデヒドを含む汚染された水が残ります。研究者たちは、ナノシリカがこの毒素に対して磁石のように機能することを発見しました。ナノシリカの量が増えるにつれて、廃水に含まれる毒性のあるホルムアルデヒドの量は著しく減少しました。最適な投与量において、ナノシリカは廃水から20パーセント以上のホルムアルデヒドを除去しました。これは、この材料が仕事において優れているだけでなく、製造過程における汚染を軽減し、よりクリーンに生産できることを意味しています。

これらの微細なカプセルが現実世界で生き残れるかどうかを証明するために、研究者たちは鉱山の充填用として設計されたコンクリートのバッチにこれらを混合しました。彼らは、この混合物を、カプセル化されていない生のワックスを用いたもの、およびワックスを全く含まない標準的な対照群と比較しました。生の、カプセル化されていないワックスを含むコンクリートは、液体状のワックスが染み出して岩石とセメントの結合を弱めたため、圧力の下で崩壊しました。対照的に、ナノシリカ強化カプセルを含むコンクリートは、標準的な（ワックスを含まない）コンクリートとほぼ同等の形状と強度を維持しました。微細なシェルが内部のワックスを保護し、漏れ出しによる構造へのダメージを防ぐとともに、強化されたシェル自体が周囲の岩石の押しつぶすような重みに耐えうる強度を備えていたのです。

最終的な結論は明確でした。少量の精密なナノシリカを加えることで、以前のバージョンよりも強く、効率的で、かつ環境に優しい熱蓄積カプセルが作られるということです。この材料は、漏洩と構造的弱さという二つの問題をうまく解決しており、深部鉱山の冷却のための実行可能な候補となります。単純なワックスを、堅牢で熱吸収能力の高い建築ブロックへと変えることで、この研究は、熱が最も激しい地球の最も深い場所において、より安全で快適な労働環境を実現するための実用的な道筋を提示しています。