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Nanofluido

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 utilizadas en nanofluidos suelen estar hechas de metales, óxidos, carburos o nanotubos de carbono . Los fluidos base comunes incluyen agua, etilenglicol [ 3] y aceite.

Los nanofluidos tienen muchas aplicaciones potenciales de transferencia de calor , [4] incluyendo microelectrónica, celdas de combustible , procesos farmacéuticos y motores híbridos , [5] refrigeración de motores/gestión térmica de vehículos, refrigeradores domésticos, enfriadores, intercambiadores de calor, en rectificado, mecanizado y en la reducción de temperatura de los gases de combustión de calderas. Presentan una conductividad térmica mejorada y un coeficiente de transferencia de calor convectivo en comparación con el fluido base. [6] El conocimiento del comportamiento reológico de los nanofluidos es fundamental para decidir su idoneidad para aplicaciones de transferencia de calor convectivo. [7] [8] Los nanofluidos también tienen propiedades acústicas especiales y en campos ultrasónicos muestran una reconversión de onda transversal de una onda compresiva incidente; el efecto se vuelve más pronunciado a medida que aumenta la concentración. [9]

En dinámica de fluidos computacional (CFD), se puede suponer que los nanofluidos son fluidos monofásicos; [10] [11] sin embargo, casi todos los artículos académicos utilizan un supuesto de dos fases. Se puede aplicar la teoría clásica de fluidos monofásicos, donde las propiedades físicas del nanofluido se toman como una función de las propiedades de ambos constituyentes y sus concentraciones. [12] Un enfoque alternativo simula nanofluidos utilizando un modelo de dos componentes. [13]

La propagación de una gota de nanofluido se ve mejorada por la estructura de ordenación similar a un sólido de las nanopartículas reunidas cerca de la línea de contacto por difusión, lo que da lugar a una presión de disyunción estructural en la proximidad de la línea de contacto. [14] Sin embargo, dicha 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. [15]

Propiedades

La conductividad térmica, la viscosidad, la densidad, el calor específico y la tensión superficial son propiedades termofísicas importantes de los nanofluidos. Parámetros como el tipo de nanopartícula, el tamaño, la forma, la concentración de volumen, la temperatura del fluido y el método de preparación del nanofluido afectan las propiedades termofísicas. [16]

Síntesis

Los nanofluidos se producen mediante varias técnicas:

Los líquidos base incluyen agua, etilenglicol y se han utilizado 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 , nanoláminas de grafeno y partículas cerámicas. [19] [20]

De base biológica

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. [21] [22] No se utilizan ácidos tóxicos/peligrosos en los procedimientos comunes de funcionalización de nanomateriales de carbono, como se emplea en esta síntesis. Los MWCNT se funcionalizan en un solo recipiente utilizando una reacción de injerto de radicales libres . Luego, los MWCNT funcionalizados con clavo se dispersan en agua destilada (agua DI), lo que produce una suspensión acuosa de MWCNT altamente estable (nanofluido de MWCNT).

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. [23] Muchos investigadores han analizado la transferencia de calor sobre placas planas. [24] Sin embargo, también son útiles por sus propiedades ópticas controladas. [25] [26] [27] [28] Se ha descubierto que los nanofluidos basados ​​en grafeno mejoran la eficiencia de la reacción en cadena de la polimerasa [29] . Los nanofluidos en colectores solares son otra aplicación en la que se emplean por sus propiedades ópticas ajustables. [30] [31] [32] También se han explorado los nanofluidos para mejorar las tecnologías de desalinización térmica, alterando la conductividad térmica [33] y absorbiendo la luz solar, [34] pero la suciedad superficial de los nanofluidos plantea un riesgo importante para esos enfoques. [33] Los investigadores propusieron nanofluidos para enfriar la electrónica. [35] Los nanofluidos también se pueden utilizar en el mecanizado. [36]

Refrigeración inteligente

Un proyecto demostró una clase de nanofluidos polarizables magnéticamente con conductividad térmica mejorada hasta en un 300%. Se sintetizaron nanopartículas de magnetita con recubrimiento de ácido graso de diferentes tamaños (3-10 nm). Se demostró que las propiedades térmicas y reológicas de dichos nanofluidos magnéticos se pueden ajustar variando la fuerza y ​​la orientación del campo magnético con respecto a la dirección del flujo de calor. [37] [38] [39] Estos fluidos de estímulo de respuesta son reversibles y tienen aplicaciones en dispositivos en miniatura como sistemas micro y nanoelectromecánicos. [40] [41]

Un estudio de 2013 analizó el efecto de un campo magnético externo sobre el coeficiente de transferencia de calor por convección de un nanofluido de magnetita a base de agua de forma experimental en régimen de flujo laminar. Se obtuvo una mejora de hasta un 300 % con Re=745 y un gradiente de campo magnético de 32,5 mT/mm. El efecto del campo magnético sobre la presión no fue tan significativo. [42]

Detección

Un sensor óptico ultrasensible basado en nanofluidos cambia de color al exponerse a bajas concentraciones de cationes tóxicos. [43] El sensor es útil para detectar trazas diminutas 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 utiliza 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, cambiando su color dependiendo de la concentración de cationes. Este cambio de color ocurre dentro de un segundo después de la exposición a cationes, mucho más rápido que otros métodos de detección de cationes existentes.

Estos nanofluidos sensibles pueden detectar y generar imágenes de defectos en componentes ferromagnéticos. El llamado ojo fotónico 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 monitorear estructuras como vías férreas y tuberías. [44] [45]

Nanolubricantes

Los nanolubricantes modifican los aceites utilizados para la lubricación de motores y máquinas. [46] Los materiales que incluyen metales, óxidos y alótropos de carbono han proporcionado nanopartículas para tales aplicaciones. El nanofluido mejora la conductividad térmica y las propiedades antidesgaste. Aunque los fluidos a base de MoS 2 , grafeno y Cu se han estudiado ampliamente, no se comprenden los mecanismos subyacentes.

El MoS2 y el grafeno funcionan como lubricantes del tercer cuerpo, actuando esencialmente como cojinetes de bolas que reducen la fricción entre las superficies. [47] [48] Este mecanismo requiere que haya suficientes partículas presentes en la interfaz de contacto. Los efectos beneficiosos disminuyen porque el contacto sostenido aleja los lubricantes del tercer cuerpo.

Otros enfoques nanolubricantes, como los hidróxidos de silicato de magnesio (MSH), se basan en recubrimientos de nanopartículas mediante la síntesis de nanomateriales con funcionalidades adhesivas y lubricantes. La investigación sobre recubrimientos nanolubricantes se ha llevado a cabo tanto en el ámbito académico como en el industrial. [49] [50] Se han desarrollado aditivos de nanoborato, así como descripciones de modelos mecánicos de formaciones de recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC). [51] Empresas como TriboTEX proporcionan formulaciones comerciales de recubrimientos de nanomateriales MSH sintetizados para motores de vehículos y aplicaciones industriales. [52] [47]

Refinación de petróleo

Numerosas investigaciones afirman que las nanopartículas pueden utilizarse para mejorar la recuperación de petróleo crudo. [53]

Cristales fotónicos

Los grupos de nanopartículas magnéticas o nanoperlas magnéticas de tamaño 80-150 nanómetros forman estructuras ordenadas a lo largo de la dirección de un campo magnético externo con un espaciamiento regular entre partículas del orden de cientos de nanómetros, lo que resulta en una fuerte difracción de la luz visible. [54] [55]

Batería de flujo

Se ha afirmado que las baterías de flujo basadas en nanoelectrocombustibles (NFB) almacenan entre 15 y 25 veces más energía que las baterías de flujo tradicionales. La Oficina de Tecnología Estratégica de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) está explorando el despliegue militar de NFB en lugar de las baterías de iones de litio convencionales . [56]

Las partículas nanofluídicas experimentan reacciones redox en el electrodo . Las partículas están diseñadas para permanecer suspendidas indefinidamente, comprendiendo hasta el 80 por ciento del peso del líquido con la viscosidad del aceite de motor. Las partículas pueden estar hechas de minerales económicos, como óxido férrico (ánodo) y dióxido de manganeso gamma (cátodo). Los nanofluidos utilizan una suspensión acuosa no inflamable. En 2024, Influit, financiado por DARPA, afirmó estar desarrollando una batería con una densidad energética de 550-850 wh/kg, superior a las baterías de iones de litio convencionales. Una batería de demostración funcionó con éxito entre −40 °C y 80 °C. [56]

Los nanofluidos descargados podrían recargarse mientras están en un vehículo o después de retirarlos en una estación de servicio. Se afirma que los costos son comparables a los de los iones de litio. Se esperaba que un depósito de combustible del tamaño de una batería de EV (80 galones) proporcionara una autonomía comparable a la de un vehículo de gasolina convencional. Los fluidos que se escapan, por ejemplo, después de un choque, se convierten en una sustancia pastosa, que se puede eliminar y reutilizar de manera segura. Las baterías de flujo también producen menos calor, lo que reduce su firma térmica para los vehículos militares. [56]

Migración de nanopartículas

Un estudio de 30 laboratorios informó que "no se observó ninguna mejora anómala de la conductividad térmica en el conjunto limitado de nanofluidos probados en este ejercicio". [57] El programa de investigación financiado por COST , Nanouptake (COST Action CA15119) se llevó a cabo 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". Un estudio de 5 laboratorios informó que "no hay efectos anómalos o inexplicables". [58]

A pesar de estas investigaciones experimentales aparentemente concluyentes, los artículos teóricos continúan afirmando una mejora anómala, [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] particularmente a través de mecanismos brownianos y termoforéticos. [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 nanopartículas y moléculas líquidas. La termoforesis induce la migración de nanopartículas de regiones más cálidas a más frías, nuevamente debido a tales colisiones. Un estudio de 2017 consideró el desajuste entre los resultados experimentales y teóricos. Informó que el movimiento browniano y los efectos de la termoforesis no tienen efectos significativos: su papel a menudo se amplifica en los estudios teóricos debido al uso de valores de parámetros incorrectos. [66] La validación experimental de estas afirmaciones llegó en 2018 [67] La ​​difusión browniana como causa de una transferencia de calor mejorada se descarta en la discusión del uso de nanofluidos en colectores solares . [ cita requerida ]

Véase también

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