PATENT | 2022 | 3D GEREDUCEERD GRAFEEN-OXIDE / SIO₂ COMPOSIET VOOR IJSVORMING

US 2022/0002159 A1 - 06-01-2022

Stop Chemtrails

Feb 04, 2025

NL VERTALING

1×

0:00

-12:36

(hierboven vind je de door AI voorgelezen audio. Hij heeft echter met cijfers enorme moeite…)

Link naar PATENT: https://patentimages.storage.googleapis.com/ec/70/42/7f2f6e476c692e/US20220002159A1.pdf

3D GEREDUCEERD GRAFEEN OXIDE / SIO2 COMPOSIET VOOR IJSVORMING

GEBIED VAN DE UITVINDING

[0001] De huidige uitvinding heeft betrekking op het gebied van wolkenzaaien. Meer in het bijzonder heeft de huidige uitvinding betrekking op de synthese van 3D grafeen/metaaloxide nanogestructureerde composietmaterialen voor ijsvorming bij wolkenzaaien, kunstmatige sneeuwproductie en vriesdroogtechnologieën in de biomedische en voedingsindustrie en dergelijke.

ACHTERGROND VAN DE UITVINDING

[0002] Het bevriezen van vloeibaar water tot vast ijs is een van de meest voorkomende natuurlijke fenomenen, waarbij ijs homogeen kan worden gevormd door puur water of heterogeen in de aanwezigheid van vreemde materialen, genaamd ijsvormende deeltjes (INP's). Dergelijke INP's kunnen afkomstig zijn van biologische, mineralogische en antropogene bronnen, waaronder pollen en bacteriën, vulkanische as en atmosferisch stof. Heterogene ijsvorming speelt een belangrijke rol in verschillende gebieden, zoals atmosferische fysica, cryopreservatietechnologieën en vriesdrogen in biomedisch onderzoek en de voedingsindustrie.

[0003] Al decennialang blijft het onduidelijk in welke mate exacte eigenschappen van INP's verantwoordelijk zijn voor het initiëren van ijsvorming en hun moleculaire identiteit. De oppervlakte-eigenschappen van INP's worden echter beschouwd als de belangrijkste parameters die ijsvormende activiteiten bevorderen. Er worden verschillende mechanismen verondersteld die de ijsvormende activiteiten van INP's proberen te beschrijven, waarvan de meeste gericht zijn op discussies over de rol van de oppervlakte-eigenschappen van INP's. Zo tonen eerdere experimentele en numerieke studies aan dat oppervlaktefouten (zoals scheuren en holtes in K-veldspaat) evenals oppervlaktefunctionaliteit (zoals hydroxylgroepen op randlocaties van aluminosilicaat kleimineralen) heterogene ijsvorming kunnen induceren. De roosterafstemming tussen ijs en de kristallijne structuur van het oppervlak kan ook de ijsvormende activiteiten beïnvloeden, zoals het geval is bij zilverjodide (AgI), een bekend koud wolkenzaaiend middel met een vergelijkbare roosterconstante als die van ijskristallen.

[0004] De bestaande ijsvormende deeltjes (INP's) die worden gebruikt bij toepassingen voor wolkenzaaien omvatten voornamelijk zilverjodide (AgI), waarbij ijsvorming selectief optreedt op specifieke locaties, zoals defectplaatsen en roosterafwijkingen. Het is vastgesteld dat defectplaatsen gunstige locaties zijn voor ijsvorming in plaats van perfecte vlakken van AgI-kristallen. Bovendien komen de structuren van enkele van de meest efficiënte ijsvormende stoffen nauw overeen met het hexagonale rooster van ijs. Ondanks de goede ijsvormende eigenschappen van AgI vereist het echter een veel lagere temperatuur (-25°C) om een efficiënte ijsvorming te vertonen. Bovendien wordt het geassocieerd met omstreden milieurisico’s. Hoewel er andere materialen zijn die gunstige defectplaatsen en een vergelijkbare roosterstructuur met ijs bevatten, vertonen de meeste alleen een hoge ijsvormende activiteit bij lage temperaturen.

[0005] Een ander effectief INP dat in de afgelopen jaren is gerapporteerd, is de zogenaamde ijs-actieve bacterie Pseudomonas syringae, die vaak wordt gebruikt om kunstmatige sneeuwproductie in wintersportgebieden over de hele wereld te vergemakkelijken. Net als AgI komt de ijsvormende capaciteit voort uit de imitatie van ijs op de ijsvormende locaties, die dienen als sjabloon voor het oriënteren van water in een rooster. Echter, ze vertonen alleen aanvankelijk een hoog aantal ijsvormingen en kunnen het aantal niet verder verhogen bij een verlaagde temperatuur. Bovendien vereisen dergelijke bacteriegebaseerde materialen hoge kosten voor massaproductie en worden ze momenteel niet breed toegepast bij wolkenzaaien.

[0006] Daarnaast wordt gespeculeerd dat oppervlaktebelasting, oppervlaktegeometrie, waterstofbinding en andere oppervlaktekenmerken ook bijdragen aan de door het oppervlak geïnduceerde ijsvorming. Studies over de ijsvormende activiteiten van INP's zijn echter grotendeels beperkt tot theoretische modellering en simulaties, voornamelijk vanwege de uitdagingen bij het bieden van een geschikte experimentele opstelling, zoals observatie- en meettechnieken die werken onder subzero-temperatuurcondities. Dit heeft de waarneming van de interactie tussen waterdamp en de ijsvormende deeltjes aanzienlijk beperkt en heeft geleid tot een gebrek aan informatie over het begin van ijsvorming en de voortgang van de groei van ijskristallen.

[0007] Naast de eerder genoemde INP's die in de literatuur zijn onderzocht, zijn ook verschillende materialen ontdekt die ijsvorming bevorderen, waaronder koolstofnanomaterialen zoals grafeen en zijn derivaten. Specifiek komt het driehoekige subrooster van grafiet (2,46 Å) overeen met de natuurlijke ijsstructuur, wat de epitaxiale groei van stabiel hexagonaal ijs op atomair niveau kan bevorderen.

[0008] Grafeenderivaten zoals grafeenoxide (GO) vertonen ook ijsvormende eigenschappen, omdat watermoleculen efficiënt kunnen worden gevangen door verschillende hydrofiele zuurstofhoudende functionele groepen die op GO aanwezig zijn. Dompeldruppel-vriesexperimenten zijn in de literatuur toegepast om indirect de ijsvormende eigenschappen van materialen te meten door het tellen van het aantal microscopische bevroren druppels. Echter, de meeste ijsvormende activiteiten van koolstofnanomaterialen werden alleen waargenomen bij relatief lage temperaturen (meestal onder -20°C), wat minder ideaal is dan andere ijsvormende materialen zoals K-veldspaat en zilverjodide (AgI) met een hogere nucleatietemperatuur. Daarnaast wordt de realtime voortgang van ijsgroei niet vastgelegd. Hierdoor is in-situ observatie van ijsvorming op deze koolstofnanomaterialen minder bekend.

[0009] Er is gerapporteerd dat atmosferische ijskristallen een cruciale rol spelen bij de wolkenvorming en neerslag, en dat de meeste neerslag in wolken via de ijsfase ontstaat. Recentelijk is er meer aandacht besteed aan onderzoek naar wolkenzaaien, omdat dit een effectieve methode is om gebruik te maken van waterbronnen in wolken. De meeste studies richten zich op hygroscopische materialen met een hoog waterdampadsorptievermogen als potentiële wolkenzaaimaterialen, en deze zijn alleen effectief bij temperaturen boven het vriespunt. Echter, studies over wolkenzaaien bij temperaturen onder het vriespunt (koud wolkenzaaien) hebben weinig vooruitgang geboekt, waarbij AgI al decennialang het meest gebruikte koud wolkenzaaiende materiaal is, ondanks de omstreden milieuproblemen die ermee gepaard gaan.

[0010] Het gebruik van chemische stoffen zoals zilverjodide vormt een ecologisch risico en schade voor de volksgezondheid, aangezien zilverjodide tijdelijke incapaciteit of mogelijke restschade kan veroorzaken bij mensen en zoogdieren bij intensieve of langdurige blootstelling. Huidige zilverjodide-microdeeltjes die worden gebruikt in wolkenzaaien hebben bezorgdheid gewekt over hun toxiciteit in verschillende milieus, met name aquatische ecosystemen. Bovendien, hoewel de conventionele methode van wolkenzaaien de vorm en het gedrag van wolken heeft veranderd, blijft het vermogen om regen effectief op te wekken onzeker.

[0011] Vanwege de toenemende interesse in wolkenzaaien en de beperkingen van de conventionele wolkenzaai-materialen, is er in de technologie een behoefte aan de synthese van nieuwe alternatieve wolkenzaai-materialen die de kans op neerslag kunnen vergroten door de efficiëntie van regendruppelvorming in koude wolken te verhogen en tegelijkertijd de schadelijke effecten op het milieu te minimaliseren. Verder is er ook behoefte aan de ontwikkeling van ijsvormende deeltjes die ijsvorming bij hogere temperaturen kunnen initiëren.

[0012] SAMENVATTING VAN DE UITVINDING
De huidige uitvinding introduceert nanogestructureerde composietmaterialen voor ijsvorming in koude wolken, die uitstekende thermische geleidbaarheid vertonen, zowel in het vlak als uit het vlak, wat gunstig is voor de nucleatie van supergekoeld water. Verder voorziet de huidige uitvinding in een ijsvormend deeltje dat, wanneer het wordt blootgesteld aan koude atmosferische omstandigheden, de vorming en groei van ijskristallen in gemengde fase-wolken versnelt en verbetert. Bovendien voorziet de huidige uitvinding in een ijsvormend deeltje dat snel en continu kan groeien bij een constante temperatuurdaling.

[0013] In een uitvoering voorziet de huidige uitvinding in een ijsvormend composiet dat in staat is een veelvoud aan ijskristallen te produceren, die ijsvorming kunnen initiëren bij een hogere temperatuur van -8 °C. Bovendien neemt het aantal ijskristallen toe wanneer de temperatuur toeneemt tot of onder -8 °C.

[0014] In een voorkeursuitvoering is het ijsvormende composiet een driedimensionaal (3D) poreus composiet van gereduceerd grafeenoxide (rGO) en siliciumdioxide (SiO₂)-nanodeeltjes, waarbij de siliciumdioxide-nanodeeltjes gelijkmatig verdeeld zijn over een hexagonale rGO-latstructuur. Het composiet van de huidige uitvinding vertoont superieure thermische geleidbaarheid, zowel in het vlak als uit het vlak, wat gunstig is voor de nucleatie van supergekoeld water. Dit deeltje vertoont bovendien een hoog waterabsorptievermogen van 118,86 cm³/g bij lage luchtvochtigheid. Het composiet heeft een hoge Brunauer-Emmett-Teller (BET)-oppervlakte van 178,84 m²/g. De hogere BET-waarde van het composiet wordt toegeschreven aan de verminderde herschikking van de flexibele rGO-lagen tijdens het zelfassemblageproces, waarbij de SiO₂-nanodeeltjes fungeerden als afstandhouders die de rGO-lagen van elkaar scheidden door de interlaagruimtes in te nemen, wat minder aggregatie veroorzaakte en daardoor de oppervlakte vergrootte. Bovendien heeft het composiet een lage watercontacthoek van 36,2º, wat resulteert in een hogere hydrofiliteit. Verder bevat het composiet een veelvoud aan poriën met een grootte van ongeveer 10-100 nm, wat resulteert in een poriënvolume van 1,23 cm³/g.

[0015] In een andere voorkeursuitvoering voorziet de huidige uitvinding in een methode voor het produceren van het ijsvormende composiet. Een eentraps hydrothermale synthese werd uitgevoerd voor de synthese van het ijsvormende composiet en omvat de volgende stappen:

Een waterige dispersie van grafeenoxide (GO) werd voorbereid. Vervolgens werden 20 ml ethanol (C₂H₅OH), 0,7 ml ammoniumhydroxide-oplossing (NH₃·H₂O) en 0,7 ml tetra-ethylorthosilicaat (TEOS) toegevoegd aan 15 ml grafeenoxide-oplossing om een homogene mengsel te vormen. Het mengsel werd gedurende 30 minuten gesonificeerd en vervolgens overgebracht in een afgesloten Teflon-gevoerde autoclaaf en hydrothermisch verhit bij 180 °C gedurende 12 uur.

Onder sonificatie werden de silica-nanodeeltjes gevormd via het Stöber-proces, waarbij TEOS werd gehydrolyseerd in alcohol in de aanwezigheid van NH₃·H₂O als katalysator. De gesynthetiseerde SiO₂-nanodeeltjes hechtten zich aan de GO-lagen in de dispersie door waterstofbruggen te vormen met zuurstofhoudende groepen op de GO-lagen. Vervolgens onderging het mengsel een zelfassemblageproces in een hydrothermisch proces om een zwart gekleurd, sponsachtig 3D-structuur van gereduceerd grafeenoxide en siliciumdioxide-nanodeeltjes (PrGO-SN) te vormen.

Na het hydrothermische proces werd het gevormde PrGO-SN-composiet driemaal gewassen met gedeïoniseerd water (DI-water). Vervolgens werd het gewassen PrGO-SN-composiet ’s nachts in een vriezer bij ~-20 °C geplaatst en daarna overgebracht in een vriesdroger bij ~-100 °C gedurende 24 uur.

Een deel van een van de bijbehorende plaatjes: