Nanopłyn

Nanociecz to ciecz zawierająca cząsteczki o wielkości nanometra , zwane nanocząsteczkami . Płyny te są konstruowanymi koloidalnymi zawiesinami nanocząstek w płynie bazowym . Nanocząstki stosowane w nanocieczach są zwykle wykonane z metali, tlenków, węglików lub nanorurek węglowych . Typowe płyny bazowe obejmują wodę, glikol etylenowy i olej.

Nanopłyny mają nowe właściwości, które czynią je potencjalnie przydatnymi w wielu zastosowaniach związanych z przenoszeniem ciepła , w tym w mikroelektronice, ogniwach paliwowych , procesach farmaceutycznych i silnikach z napędem hybrydowym , chłodzeniu silnika/zarządzaniu temperaturą pojazdu, domowych lodówkach, agregatach chłodniczych, wymiennikach ciepła, szlifowaniu, obróbce skrawaniem oraz w obniżaniu temperatury spalin kotłowych. Wykazują podwyższoną przewodność cieplną i konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła w porównaniu z płynem bazowym. Znajomość reologii Stwierdzono, że zachowanie nanocieczy ma kluczowe znaczenie przy podejmowaniu decyzji o ich przydatności do zastosowań związanych z konwekcyjnym przenoszeniem ciepła. Nanociecze mają również specjalne właściwości akustyczne, aw polach ultradźwiękowych wykazują dodatkową rekonwersję fali poprzecznej padającej fali ściskającej; efekt staje się bardziej wyraźny wraz ze wzrostem stężenia.

W analizach, takich jak obliczeniowa dynamika płynów (CFD), można założyć, że nanociecze są płynami jednofazowymi; jednak prawie wszystkie nowe prace akademickie opierają się na założeniu dwufazowym. Można zastosować klasyczną teorię płynów jednofazowych, gdzie właściwości fizyczne nanocieczy są traktowane jako funkcja właściwości obu składników i ich stężeń. Alternatywne podejście symuluje nanociecze przy użyciu modelu dwuskładnikowego.

Rozprzestrzenianie się kropelki nanocieczy jest wzmocnione przez przypominającą ciało stałe uporządkowaną strukturę nanocząstek zgromadzonych w pobliżu linii styku przez dyfuzję, co powoduje powstanie strukturalnego ciśnienia rozłączającego w pobliżu linii styku. Jednak takiego wzmocnienia nie obserwuje się dla małych kropel o średnicy rzędu nanometrów, ponieważ skala czasu zwilżania jest znacznie mniejsza niż skala czasu dyfuzji.

Synteza

Nanopłyny są wytwarzane kilkoma technikami:

Bezpośrednie odparowywanie (1 krok)
Kondensacja/dyspersja gazów (2 etapy)
Chemiczna kondensacja oparów (1 etap)
Wytrącanie chemiczne (1 etap)
Na bazie biologicznej (2 kroki)

Jako płyny bazowe stosowano kilka cieczy, w tym wodę, glikol etylenowy i oleje. Chociaż stabilizacja może być wyzwaniem, trwające badania wskazują, że jest to możliwe. Nanomateriały stosowane do tej pory w syntezie nanocieczy obejmują metaliczne , tlenkowe , nanorurki węglowe , nanopłatki grafenu oraz cząstki ceramiczne.

Opracowano oparte na biologii, przyjazne dla środowiska podejście do kowalencyjnej funkcjonalizacji wielościennych nanorurek węglowych (MWCNT) przy użyciu pączków goździków. Nie ma żadnych toksycznych i niebezpiecznych kwasów, które są zwykle stosowane w typowych procedurach funkcjonalizacji nanomateriałów węglowych, stosowanych w tej syntezie. MWCNT są funkcjonalizowane w jednym naczyniu przy użyciu reakcji szczepienia wolnorodnikowego. MWCNT funkcjonalizowane goździkami są następnie rozpraszane w wodzie destylowanej (woda dejonizowana), tworząc wysoce stabilną wodną zawiesinę MWCNT (MWCNTs Nanofluid).

Inteligentne nanopłyny chłodzące

Zdając sobie sprawę ze skromnego zwiększenia przewodności cieplnej w konwencjonalnych nanocieczach, zespół naukowców z Centrum Badań Atomowych im. Indiry Gandhi w Kalpakkam opracował nową klasę nanocieczy polaryzowalnych magnetycznie, w których wykazano poprawę przewodności cieplnej do 300% w przypadku płynów bazowych. W tym celu zsyntetyzowano nanocząstki magnetytu o różnych rozmiarach (3-10 nm) z łańcuchami tłuszczowymi. Wykazano, że zarówno właściwości termiczne, jak i reologiczne takich nanocieczy magnetycznych można regulować, zmieniając natężenie pola magnetycznego i orientację w odniesieniu do kierunku przepływu ciepła. Takie płyny stymulujące reakcję są odwracalnie przełączalne i mają zastosowanie w miniaturowych urządzeniach, takich jak układy mikro- i nanoelektromechaniczne. W 2013 roku Azizian i in. rozważali eksperymentalnie wpływ zewnętrznego pola magnetycznego na współczynnik przewodnictwa ciepła konwekcyjnego nanopłynu magnetytowego na bazie wody w warunkach przepływu laminarnego. Wzmocnienie do 300% uzyskane przy Re=745 i gradiencie pola magnetycznego 32,5 mT/mm. Wpływ pola magnetycznego na spadek ciśnienia nie był tak znaczący.

Nanopłyny stymulujące reakcję do zastosowań związanych z wykrywaniem

Naukowcy wynaleźli oparty na nanopłynie ultraczuły czujnik optyczny, który zmienia kolor pod wpływem ekstremalnie niskich stężeń toksycznych kationów. Czujnik jest przydatny do wykrywania śladowych ilości kationów w próbkach przemysłowych i środowiskowych. Istniejące techniki monitorowania poziomów kationów w próbkach przemysłowych i środowiskowych są drogie, złożone i czasochłonne. Czujnik został zaprojektowany z magnetycznym nanopłynem, który składa się z nanokropelek z ziarnami magnetycznymi zawieszonymi w wodzie. W stałym polu magnetycznym źródło światła oświetla nanociecz, w której kolor nanocieczy zmienia się w zależności od stężenia kationów. Ta zmiana koloru następuje w ciągu sekundy po ekspozycji na kationy, znacznie szybciej niż inne istniejące metody wykrywania kationów.

Takie nanopłyny stymulujące reakcję są również wykorzystywane do wykrywania i obrazowania defektów w elementach ferromagnetycznych. Oko fotoniczne, jak je nazwano, opiera się na polaryzowalnej magnetycznie nanoemulsji, która zmienia kolor, gdy wchodzi w kontakt z wadliwym regionem próbki. Urządzenie może służyć do monitorowania obiektów takich jak tory kolejowe i rurociągi.

Reagujące magnetycznie nanofluidy kryształów fotonicznych

Skupiska nanocząstek magnetycznych lub nanokulki magnetyczne o wielkości 80–150 nanometrów tworzą uporządkowane struktury wzdłuż kierunku zewnętrznego pola magnetycznego z regularnymi odstępami międzycząsteczkowymi rzędu setek nanometrów, co skutkuje silną dyfrakcją światła widzialnego w zawiesinie.

Nanosmary

Innym słowem używanym do opisania zawiesin opartych na nanocząsteczkach są nanosmary. Sporządza się je głównie z olejów stosowanych do smarowania silników i maszyn. Do tej pory do formułowania nanosmarów stosowano kilka materiałów, w tym metale, tlenki i alotropy węgla. Dodatek nanomateriałów poprawia głównie przewodność cieplną i właściwości przeciwzużyciowe olejów bazowych. Chociaż płyny na bazie MoS2, grafenu i Cu były szeroko badane, nadal potrzebne jest podstawowe zrozumienie mechanizmów leżących u ich podstaw.

Dwusiarczek molibdenu (MoS2) i grafen działają jak smary trzeciego ciała, stając się zasadniczo mikroskopijnymi łożyskami kulkowymi, które zmniejszają tarcie między dwiema stykającymi się powierzchniami. Ten mechanizm jest korzystny, jeśli na powierzchni styku występuje wystarczająca ilość tych cząstek. Korzystne efekty zmniejszają się, gdy mechanizm pocierania wypycha trzecie substancje nawilżające ciała. Podobnie zmiana smaru zniweczy działanie nanosmarów spuszczonych z olejem.

Inne podejścia do nanosmarów, takie jak wodorotlenki krzemianu magnezu (MSH), opierają się na powłokach nanocząstek poprzez syntezę nanomateriałów o właściwościach adhezyjnych i smarnych. Badania nad powłokami nanosmarującymi prowadzono zarówno w środowisku akademickim, jak i przemysłowym. Ali Erdemir z Argonne National Labs opracował dodatki nanoboranowe oraz opisy modeli mechanicznych formacji powłok z węgla podobnego do diamentu (DLC). Firmy takie jak TriboTEX dostarczają konsumenckie formuły zsyntetyzowanych powłok nanomateriałowych MSH do silników pojazdów i zastosowań przemysłowych.

Nanociecze w procesie rafinacji ropy naftowej

Wielu badaczy twierdzi, że nanocząsteczki mogą być wykorzystane do usprawnienia wydobycia ropy naftowej. Jest oczywiste, że rozwój nanocieczy dla przemysłu naftowego i gazowniczego ma ogromne znaczenie praktyczne.

Aplikacje

Nanociecze są wykorzystywane przede wszystkim ze względu na ich ulepszone właściwości termiczne jako chłodziwa w urządzeniach do wymiany ciepła, takich jak wymienniki ciepła, elektroniczne układy chłodzenia (takie jak płaska płyta) i grzejniki. Przenikanie ciepła przez płaską płytę było analizowane przez wielu badaczy. Jednak są one również przydatne ze względu na kontrolowane właściwości optyczne. Stwierdzono, że nanopłyn na bazie grafenu zwiększa reakcji łańcuchowej polimerazy . Nanociecze w kolektorach słonecznych to kolejne zastosowanie, w którym nanopłyny są wykorzystywane ze względu na ich regulowane właściwości optyczne. Zbadano również nanociecze w celu ulepszenia technologii odsalania termicznego poprzez zmianę przewodności cieplnej i pochłanianie światła słonecznego, ale zanieczyszczenie powierzchni nanocieczy stanowi poważne zagrożenie dla tych podejść. Badacze zaproponowali nanopłyny do chłodzenia elektroniki. Nanopłyny mogą być również wykorzystywane w obróbce skrawaniem.

Właściwości termofizyczne nanocieczy

Przewodność cieplna, lepkość, gęstość, ciepło właściwe i napięcie powierzchniowe są uważane za niektóre główne właściwości termofizyczne nanocieczy. Różne parametry, takie jak rodzaj, rozmiar i kształt nanocząstek, stężenie objętościowe, temperatura płynu i sposób przygotowania nanocieczy mają wpływ na właściwości termofizyczne nanocieczy.

Migracja nanocząstek

Wczesne badania wskazujące na anomalny wzrost właściwości termicznych nanocieczy w porównaniu z płynem bazowym, w szczególności współczynnika przenikania ciepła, zostały w dużej mierze zdyskredytowane. Jednym z głównych wniosków wyciągniętych z badania przeprowadzonego w ponad trzydziestu laboratoriach na całym świecie było to, że „w ograniczonym zestawie nanocieczy testowanych w tym ćwiczeniu nie zaobserwowano żadnego anomalnego zwiększenia przewodności cieplnej”. Program badawczy finansowany przez COST, Nanouptake (COST Action CA15119) [1] została założona z zamiarem „opracowania i wspierania wykorzystania nanocieczy jako zaawansowanych materiałów do wymiany ciepła / magazynowania ciepła w celu zwiększenia wydajności systemów wymiany i magazynowania ciepła”. Jeden z końcowych wyników, obejmujący badanie eksperymentalne w pięciu różnych laboratoriach, wykazał, że „nie ma żadnych anomalii ani niewyjaśnionych efektów”.

Pomimo tych pozornie rozstrzygających badań eksperymentalnych, prace teoretyczne nadal podążają za twierdzeniem o anomalnym wzmocnieniu, patrz, szczególnie poprzez mechanizmy Browna i termoforetyczne, jak sugerował Buongiorno. Dyfuzja Browna jest spowodowana przypadkowym dryfowaniem zawieszonych nanocząstek w płynie bazowym, które powstaje w wyniku zderzeń między nanocząstkami a cząsteczkami cieczy. Termoforeza indukuje migrację nanocząstek z cieplejszych do zimniejszych regionów, ponownie w wyniku zderzeń z cząsteczkami cieczy. Niezgodność między wynikami eksperymentalnymi i teoretycznymi została wyjaśniona w Myers et al. W szczególności wykazano, że efekty ruchów Browna i termoforezy są zbyt małe, aby mieć jakikolwiek znaczący wpływ: ich rola jest często wzmacniana w badaniach teoretycznych z powodu stosowania nieprawidłowych wartości parametrów. Eksperymentalna walidacja twierdzeń została przedstawiona w Alkasmoul et al. Dyfuzja Browna jako przyczyna zwiększonej wymiany ciepła została odrzucona w dyskusji zastosowanie nanocieczy w kolektorach słonecznych .

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Magnetycznie reagujące nanofluidy kryształów fotonicznych (wideo) wyprodukowane przez Nanos scienceae

projekty europejskie:

NanoHex to europejski projekt opracowujący nanopłynne chłodziwa klasy przemysłowej