Diamanter er en olies bedste ven

(Phys.org) —En blanding af diamantnanopartikler og mineralolie udkonkurrerer let andre typer væsker skabt til varmeoverførselsapplikationer, ifølge ny forskning fra Rice University.

Risforskere blandede meget lave koncentrationer af diamantpartikler (ca. 6 nanometer i diameter) med mineralolie for at teste nanofluidens termiske ledningsevne, og hvordan temperaturen ville påvirke dens viskositet. De fandt, at det var meget bedre end nanovæsker, der indeholder større mængder oxid, nitrid- eller karbidkeramik, metaller, halvledere, kulstof nanorør og andre kompositmaterialer.

Rice-resultaterne dukkede op i denne uge i tidsskriftet American Chemical Society Anvendte materialer og grænseflader .

Arbejdet, der kunne forbedre applikationer, hvor kontrol af varme er altafgørende, blev ledet af Pulickel Ajayan, formand for Rices nye afdeling for materialevidenskab og nanoteknik; Ris-alumne Jaime Taha-Tijerina, nu forsker ved Viakable Technology and Research Center i Monterrey, Mexico; og en forskningssamarbejdspartner hos Carbon Sponge Solutions i Houston.

Termiske væsker bruges til at lindre slid på komponenter og værktøjer og til bearbejdningsoperationer som stempling og boring, medicinsk terapi og diagnose, biofarmaceutiske produkter, aircondition, brændstofceller, kraftoverførselssystemer, solceller, mikro- og nanoelektroniske mekaniske systemer og kølesystemer til alt fra motorer til atomreaktorer.

Væsker til hver anvendelse skal balancere en evne til at flyde med termiske transportegenskaber. Tynde væsker som vand og ethylenglycol flyder let, men leder ikke varmen godt, mens traditionelle varmeoverførselsvæsker kan påvirkes af stabilitet, viskositet, overfladeladning, lagdeling, agglomeration og andre faktorer, der begrænser væsentlig flow.

Forskere har siden slutningen af ​​1990'erne ledt efter effektive, tilpasselige nanovæsker, der tilbyder en mellemvej. De bruger partikler under 100 nanometer i lave nok koncentrationer til, at de ikke begrænser flowet, men stadig udnytter deres varmeoverførsels- og opbevaringsegenskaber effektivt.

Nanodiamanter har vist sig at være det bedste tilsætningsstof endnu. De har de fleste af de egenskaber, der gør bulk-diamant så fremragende til varmeoverførselsanvendelser på makroskalaen. Enkelte diamantkrystaller kan være 100 gange bedre til termisk ledningsevne end kobber, mens de stadig fungerer som et effektivt smøremiddel.

"De store egenskaber ved nanodiamant - smøreevne, høj varmeledningsevne og elektrisk modstand og stabilitet, blandt andre - er ret imponerende, " sagde Taha-Tijerina. "Vi fandt ud af, at vi kunne kombinere meget små mængder med konventionelle væsker og få ekstraordinær termisk transport uden væsentlige problemer med viskositeten."

I test, forskerne spredte nanodiamanter i mineralolie og fandt ud af, at en meget lille koncentration - en tiendedel af en vægtprocent - hævede oliens termiske ledningsevne med 70 procent ved 373 kelvin (ca. 211 grader Fahrenheit). Den samme koncentration af nanodiamant ved en lavere temperatur hævede stadig ledningsevnen, men til mindre effekt (ca. 40 procent ved 323 K).

De foreslog en mekanisme, der ligner perkolation - men måske i modsætning til noget andet, der endnu er set - tager fat, da olie- og diamantmolekyler kolliderer, når de opvarmes.

"Brownsk bevægelse og nanopartikel/væske-interaktioner spiller en vigtig rolle, " sagde Taha-Tijerina. "Vi observerede forbedring i termisk ledningsevne med trinvise ændringer i temperatur og mængden af ​​nanodiamanter, der blev brugt. De temperaturafhængige variationer fortalte os, at ændringerne ikke kun skyldtes perkolationsmekanismen, men også Brownsk bevægelse."