Peculiarities of Low-Temperature Behavior of Liquids Confined in Nanostructured Silicon-Based Material

Abstract

This study is devoted to the confinement effects on freezing and melting in electrochemical systems containing nanomaterial electrodes and liquid electrolytes. The melting of nanoparticles formed upon freezing of liquids confined in pores of disordered nanostructured n-type silicon has been studied by low-temperature differential scanning calorimetry. Experimental results obtained for deionized water, an aqueous solution of potassium sulfate, and n-decane are presented. A model is proposed for predicting the melting point of nanoparticles formed during freezing of liquids inside the pores of a disordered nanostructured material. The model is based on the classical thermodynamic concept of the phase transition temperature dependence on the particle size. It takes into account the issues arising when a liquid is dispersed in a matrix of another material: the effect of mechanical stress resulted from the difference in the thermal linear expansion coefficients at a temperature gradient, the effect of the volumetric liquid content in the matrix, the presence of a nonfreezing liquid layer inside the pores, and the effect of wettability of the matrix with the liquid. Model calculations for water and n-decane confined in nanostructured silicon matrix have been carried out considering the volumetric liquid content. The results obtained have been compared with the differential scanning calorimetry data.

Novel methodology to determine thermal properties of nanoparticles exclusively based on SAXS measurements applied to Bi nanocrystals and nanodroplets in a glass matrix

“…The properties of materials composed of a homogeneous matrix in which nanoparticles are confined depend on the composition of the solid matrix and the composition, shape, size and crystalline structure of the nanoparticles (Schmid, 2010;Roy et al, 2017). Due to the general interest in the useful properties of these nanocomposites for applications in nanotechnology, studies of the thermodynamic properties of nanoparticles became of growing interest (Li et al, 2017;Delgado-Callico et al, 2021;Bardushkin et al, 2020;Zhang et al, 2020). The optical, electrical, magnetic and mechanical properties of nanocomposites are closely related to the thermodynamic properties of the embedded nanoparticles (Haro-Poniatowski et al, 2005, 2007Jimenez de Castro et al, 2014).…”

Simulation of average stress values in por-Si-H2O structures near the phase transition point of water

“…При этом большое значение имеет эффект изменения температуры плавления/замерзания жидкостей, адсорбированных в мезопористых структурах. Указанный эффект, в частности, может оказывать влияние на низкотемпературное поведение электролитов в металл-ионных аккумуляторах и суперконденсаторах [8][9][10][11][12][13].…”

“…Ранее в работах [8,9,17] были представлены результаты прогнозирования физико-механических свойств водонасыщенных por-Si без учета слоя SiO 2 на поверхностях пор. В работах [18,19] показано, что учет слоя SiO 2 в указанных структурах позволяет уточнить прогнозируемые значения эффективных и локальных упругих характеристик вблизи точки фазового перехода лед -вода.…”

“…Поскольку в водонасыщенных por-Si, согласно экспериментальным данным дифференциальной сканирующей калориметрии, температура плавления/замерзания H 2 O составляет величину порядка 255 К [8,9], а понижение температуры образцов указанных структур до 233 К приводит к замерзанию несвязанной воды в порах, дальнейшие исследования проводились в интервале температур 233-273 К.…”

“…Настоящаяая работа посвящена разработке модели и проведению численных расчетов значений средних напряжений в композитных структурах на основе por-Si, содержащих воду, замерзшую в условиях пространственного ограничения, с учетом наличия на поверхностях пор слоя SiO 2 . Знание значений средних напряжений позволяет прогнозировать изменение температуры плавления/замерзания H 2 O и стойкость к механическому разрушению (стабильность) водонасыщенных por-Si при термоциклировании в окрестности точки фазового перехода лед -вода [8,9].…”