Un nanofluido es un fluido que contiene partículas de tamaño nanométrico , llamadas nanopartículas . Estos fluidos son suspensiones coloidales diseñadas de nanopartículas en un fluido base . [1] [2] Las nanopartículas que se utilizan en los nanofluidos suelen estar formadas por metales, óxidos, carburos o nanotubos de carbono . Los fluidos base comunes incluyen agua, etilenglicol [3] y aceite.
Los nanofluidos tienen propiedades novedosas que los hacen potencialmente útiles en muchas aplicaciones de transferencia de calor , [4] que incluyen microelectrónica, pilas de combustible , procesos farmacéuticos y motores híbridos , [5] refrigeración de motores / gestión térmica de vehículos, refrigeradores domésticos, enfriadores, calor intercambiador, en rectificado, mecanizado y en caldera reducción de temperatura de humos. Presentan una conductividad térmica mejorada y el coeficiente de transferencia de calor por convección en comparación con el fluido base. [6] Se considera que el conocimiento del comportamiento reológico de los nanofluidos es fundamental para decidir su idoneidad para aplicaciones de transferencia de calor por convección. [7] [8] Los nanofluidos también tienen propiedades acústicas especiales y en los campos ultrasónicos muestran una reconversión adicional de ondas de corte de una onda compresional incidente; el efecto se vuelve más pronunciado a medida que aumenta la concentración. [9]
En análisis tales como la dinámica de fluidos computacional (CFD), se puede suponer que los nanofluidos son fluidos monofásicos; [10] sin embargo, casi todos los artículos académicos nuevos utilizan un supuesto de dos fases. Se puede aplicar la teoría clásica de los fluidos monofásicos, donde las propiedades físicas de los nanofluidos se toman en función de las propiedades de ambos constituyentes y sus concentraciones. [11] Un enfoque alternativo simula nanofluidos utilizando un modelo de dos componentes. [12]
La propagación de una gota de nanofluido se ve reforzada por la estructura de ordenación de tipo sólido de nanopartículas ensambladas cerca de la línea de contacto por difusión, lo que da lugar a una presión de separación estructural en las proximidades de la línea de contacto. [13] Sin embargo, tal mejora no se observa para gotas pequeñas con un diámetro de escala nanométrica, porque la escala de tiempo de humectación es mucho menor que la escala de tiempo de difusión. [14]
Síntesis
Los nanofluidos se producen mediante varias técnicas:
- Evaporación directa (1 paso)
- Condensación / dispersión de gas (2 pasos)
- Condensación de vapor químico (1 paso)
- Precipitación química (1 paso)
- De base biológica (2 pasos)
Se han utilizado como fluidos base varios líquidos, incluidos agua, etilenglicol y aceites. Aunque la estabilización puede ser un desafío, las investigaciones en curso indican que es posible. Los nanomateriales utilizados hasta ahora en la síntesis de nanofluidos incluyen partículas metálicas , partículas de óxido , nanotubos de carbono , nanocopos de grafeno y partículas cerámicas. [15] [16]
Se desarrolló un enfoque ecológico y de base biológica para la funcionalización covalente de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) utilizando brotes de clavo. [17] [18] No existen ácidos tóxicos y peligrosos que se utilizan típicamente en los procedimientos de funcionalización de nanomateriales de carbono comunes, empleados en esta síntesis. Los MWCNT se funcionalizan en un recipiente mediante una reacción de injerto de radicales libres. Los MWCNT funcionalizados con clavo de olor se dispersan luego en agua destilada (agua desionizada), produciendo una suspensión acuosa MWCNT altamente estable (MWCNT Nanofluid).
Nanofluidos de refrigeración inteligente
Al darse cuenta de la modesta mejora de la conductividad térmica en los nanofluidos convencionales, un equipo de investigadores del Centro Indira Gandhi para el Centro de Investigación Atómica, Kalpakkam desarrolló una nueva clase de nanofluidos polarizables magnéticamente donde se demuestra la mejora de la conductividad térmica hasta en un 300% de los fluidos base. Para este propósito, se han sintetizado nanopartículas de magnetita cubiertas con ácidos grasos de diferentes tamaños (3-10 nm). Se ha demostrado que tanto las propiedades térmicas como reológicas de tales nanofluidos magnéticos se pueden sintonizar variando la intensidad del campo magnético y la orientación con respecto a la dirección del flujo de calor. [19] [20] [21] Estos fluidos de estímulo de respuesta son reversibles y tienen aplicaciones en dispositivos en miniatura como sistemas micro y nanoelectromecánicos. [22] [23] En 2013, Azizian et al. consideró el efecto de un campo magnético externo en el coeficiente de transferencia de calor por convección de nanofluidos de magnetita a base de agua experimentalmente en régimen de flujo laminar. Se obtiene hasta un 300% de mejora con Re = 745 y un gradiente de campo magnético de 32,5 mT / mm. El efecto del campo magnético sobre la caída de presión no fue tan significativo. [24]
Nanofluidos de estímulos de respuesta para aplicaciones de detección
Los investigadores han inventado un sensor óptico ultrasensible a base de nanofluidos que cambia de color al exponerse a concentraciones extremadamente bajas de cationes tóxicos. [25] El sensor es útil para detectar rastros diminutos de cationes en muestras industriales y ambientales. Las técnicas existentes para monitorear los niveles de cationes en muestras industriales y ambientales son costosas, complejas y requieren mucho tiempo. El sensor está diseñado con un nanofluido magnético que consiste en nanogotas con granos magnéticos suspendidos en agua. En un campo magnético fijo, una fuente de luz ilumina el nanofluido donde el color del nanofluido cambia dependiendo de la concentración de cationes. Este cambio de color ocurre un segundo después de la exposición a los cationes, mucho más rápido que otros métodos de detección de cationes existentes.
Estos nanofluidos de estímulo de respuesta también se utilizan para detectar e visualizar defectos en componentes ferromagnéticos. El ojo fotónico, como se le ha llamado, se basa en una nanoemulsión polarizable magnéticamente que cambia de color cuando entra en contacto con una región defectuosa en una muestra. El dispositivo podría usarse para monitorear estructuras como vías férreas y tuberías. [26] [27]
Nanofluidos de cristales fotónicos magnéticamente sensibles
Los cúmulos de nanopartículas magnéticas o nanoperlas magnéticas con un tamaño de 80-150 nanómetros forman estructuras ordenadas a lo largo de la dirección del campo magnético externo con un espaciado regular entre partículas del orden de cientos de nanómetros, lo que da como resultado una fuerte difracción de luz visible en suspensión. [28] [29]
Nanolubricantes
Otra palabra utilizada para describir las suspensiones basadas en nanopartículas es Nanolubricantes. [30] Se preparan principalmente con aceites utilizados para la lubricación de motores y máquinas. Hasta ahora, se han utilizado varios materiales, incluidos metales, óxidos y alótropos de carbono, para formular nanolubricantes. La adición de nanomateriales mejora principalmente la conductividad térmica y la propiedad antidesgaste de los aceites base. Aunque los fluidos basados en MoS2, grafeno y Cu se han estudiado ampliamente, aún se necesita la comprensión fundamental de los mecanismos subyacentes.
El disulfuro de molibdeno (MoS2) y el grafeno funcionan como lubricantes del tercer cuerpo, convirtiéndose esencialmente en diminutos rodamientos de bolas microscópicos, que reducen la fricción entre dos superficies en contacto. [31] [32] Este mecanismo es beneficioso si hay un suministro suficiente de estas partículas en la interfaz de contacto. Los efectos beneficiosos disminuyen a medida que el mecanismo de frotamiento expulsa los lubricantes del tercer cuerpo. Asimismo, cambiar el lubricante anulará los efectos de los nanolubricantes drenados con el aceite.
Otros enfoques de nanolubricantes, como los hidróxidos de silicato de magnesio (MSH), se basan en recubrimientos de nanopartículas mediante la síntesis de nanomateriales con funciones adhesivas y lubricantes. La investigación sobre recubrimientos de nanolubricantes se ha llevado a cabo tanto en el ámbito académico como en el industrial. [33] [34] Ali Erdemir en Argonne National Labs ha desarrollado aditivos de nanoborato, así como descripciones de modelos mecánicos de formaciones de revestimiento de carbono tipo diamante (DLC). [35] Empresas como TriboTEX proporcionan formulaciones para el consumidor de recubrimientos de nanomateriales MSH sintetizados para motores de vehículos y aplicaciones industriales. [36] [31]
Nanofluidos en el proceso de refinación de petróleo
Muchas investigaciones afirman que las nanopartículas se pueden utilizar para mejorar la recuperación de petróleo crudo. [37] Es evidente que el desarrollo de nanofluidos para la industria del petróleo y el gas tiene grandes aspectos prácticos.
Aplicaciones
Los nanofluidos se utilizan principalmente por sus propiedades térmicas mejoradas como refrigerantes en equipos de transferencia de calor como intercambiadores de calor, sistemas de refrigeración electrónicos (como placas planas) y radiadores. [38] Muchos investigadores han analizado la transferencia de calor sobre placa plana. [39] Sin embargo, también son útiles por sus propiedades ópticas controladas. [40] [41] [42] [43] Se ha descubierto que el nanofluido basado en grafeno mejora la eficacia de la reacción en cadena de la polimerasa [44] . Los nanofluidos en colectores solares es otra aplicación en la que se emplean nanofluidos por sus propiedades ópticas sintonizables. [45] [46]
Propiedades termofísicas de los nanofluidos
- Viscosidad de nanofluidos
- Conductividad térmica de nanofluidos
Migración de nanopartículas
Los primeros estudios que indican aumentos anómalos en las propiedades térmicas de los nanofluidos sobre los del fluido base, en particular el coeficiente de transferencia de calor, han sido ampliamente desacreditados. Una de las principales conclusiones extraídas de un estudio en el que participaron más de treinta laboratorios de todo el mundo [47] fue que "no se observó ninguna mejora anómala de la conductividad térmica en el conjunto limitado de nanofluidos probados en este ejercicio". El programa de investigación financiado por COST, Nanouptake (COST Action CA15119) [1] se fundó con la intención de "desarrollar y fomentar el uso de nanofluidos como materiales avanzados de transferencia de calor / almacenamiento térmico para aumentar la eficiencia de los sistemas de intercambio y almacenamiento de calor". Uno de los resultados finales, que involucró un estudio experimental en cinco laboratorios diferentes, concluyó que "no hay efectos anómalos o inexplicables". [48]
A pesar de estas investigaciones experimentales aparentemente concluyentes, los artículos teóricos continúan siguiendo la afirmación de una mejora anómala, ver, [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] particularmente a través de mecanismos brownianos y termoforéticos, como lo sugiere Buongiorno. [2] La difusión browniana se debe a la deriva aleatoria de nanopartículas suspendidas en el fluido base que se origina a partir de colisiones entre las nanopartículas y las moléculas líquidas. La termoforesis induce la migración de nanopartículas de regiones más cálidas a regiones más frías, nuevamente debido a colisiones con moléculas líquidas. El desajuste entre los resultados experimentales y teóricos se explica en Myers et al. [56] En particular, se muestra que el movimiento browniano y los efectos de la termoforesis son demasiado pequeños para tener un efecto significativo: su papel a menudo se amplifica en estudios teóricos debido al uso de valores de parámetros incorrectos. La validación experimental de las afirmaciones de [56] se proporciona en Alkasmoul et al. [57] La difusión browniana como causa de una mayor transferencia de calor se descarta en la discusión sobre el uso de nanofluidos en colectores solares .
Ver también
- Laboratorio Nacional Argonne
- Batería de flujo
- Dinámica de fluidos
- Transferencia de calor
- Material de nanofase
- Relación superficie-volumen
- Surfactante
- Therminol
[58]
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enlaces externos
- Nanofluido de cristales fotónicos magnéticamente sensibles (video) producido por Nanos scientificae
Proyectos europeos:
- NanoHex es un proyecto europeo que desarrolla refrigerantes nanofluidos de clase industrial