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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 ...

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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 los 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, pilas 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 reducción de la temperatura de los gases de combustión de calderas . Exhiben una conductividad térmica y un coeficiente de transferencia de calor convectivo mejorados en comparación con el fluido base. [ 6 ] El conocimiento del comportamiento reológico de los nanofluidos es fundamental para determinar su idoneidad para aplicaciones de transferencia de calor convectivo. [ 7 ] [ 8 ] Los nanofluidos también tienen propiedades acústicas especiales y en campos ultrasónicos muestran reconversión de onda de corte de una onda compresional incidente; el efecto se vuelve más pronunciado a medida que aumenta la concentración. [ 9 ]

En dinámica de fluidos computacional (CFD), los nanofluidos pueden considerarse fluidos monofásicos; [ 10 ] [ 11 ] sin embargo, casi todos los artículos académicos utilizan una suposición bifásica. Se puede aplicar la teoría clásica de fluidos monofásicos, donde las propiedades físicas del nanofluido se consideran una función de las propiedades de ambos constituyentes y sus concentraciones. [ 12 ] Un enfoque alternativo simula los nanofluidos utilizando un modelo bicomponente. [ 13 ]

La dispersión de una gota de nanofluido se ve favorecida por la estructura de ordenamiento de tipo sólido de las nanopartículas ensambladas cerca de la línea de contacto por difusión, lo que genera una presión de disyunción estructural en las proximidades de dicha línea. [ 14 ] Sin embargo, este efecto no se observa en gotas pequeñas con diámetros de escala nanométrica, ya que 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, el tamaño, la forma y la concentración volumétrica de las nanopartículas, la temperatura del fluido y el método de preparación del nanofluido afectan las propiedades termofísicas. [ 16 ]

Síntesis

Los nanofluidos se producen mediante diversas técnicas:

  • Evaporación directa (1 paso)
  • Condensación/dispersión de gases (2 etapas)
  • Condensación química de vapor (1 paso)
  • Precipitación química (1 paso)
  • De base biológica (2 pasos)

Entre los líquidos base se incluyen agua, etilenglicol y aceites. Si bien 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 , nanoflakes de grafeno y partículas cerámicas. [ 19 ] [ 20 ]

De base biológica

Se desarrolló un método biológico y respetuoso con el medio ambiente para la funcionalización covalente de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNT) utilizando clavos de olor. [ 21 ] [ 22 ] En los procedimientos habituales de funcionalización de nanomateriales de carbono, como en esta síntesis, no se suelen utilizar ácidos tóxicos o peligrosos. Los MWCNT se funcionalizan en un solo recipiente mediante una reacción de injerto por radicales libres . Posteriormente, 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 electrónica (como placas planas) y radiadores. [ 23 ] La transferencia de calor sobre placas planas ha sido analizada por muchos investigadores. [ 24 ] Sin embargo, también son útiles por sus propiedades ópticas controladas. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] Se ha descubierto que el nanofluido a base de grafeno mejora la eficiencia de la reacción en cadena de la polimerasa [ 29 ] . Los nanofluidos en colectores solares son otra aplicación donde se emplean nanofluidos por sus propiedades ópticas ajustables. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] Los nanofluidos también se han explorado para mejorar las tecnologías de desalinización térmica , alterando la conductividad térmica [ 33 ] y absorbiendo la luz solar, [ 34 ] pero la contaminación superficial de los nanofluidos supone un riesgo importante para esos enfoques. [ 33 ] Los investigadores propusieron nanofluidos para la refrigeración de componentes electrónicos. [ 35 ] Los nanofluidos también se pueden utilizar en el mecanizado. [ 36 ]

Refrigeración inteligente

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

Un estudio de 2013 analizó experimentalmente 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 bajo régimen de flujo laminar . Se obtuvo una mejora de hasta el 300 % a 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 mínimas 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 según la concentración de cationes. Este cambio de color ocurre en un segundo después de la exposición a los cationes, mucho más rápido que otros métodos de detección de cationes existentes.

Estos nanofluidos sensibles pueden detectar y visualizar defectos en componentes ferromagnéticos . El llamado ojo fotónico se basa en una nanoemulsión magnéticamente polarizable que cambia de color al entrar en contacto con una región defectuosa en una muestra. El dispositivo podría monitorizar estructuras como vías férreas y tuberías. [ 44 ] [ 45 ]

Nanolubricantes

Los nanolubricantes modifican los aceites utilizados para la lubricación de motores y maquinaria. [ 46 ] Materiales como metales, óxidos y alótropos de carbono han proporcionado nanopartículas para estas aplicaciones. El nanofluido mejora la conductividad térmica y las propiedades antidesgaste. Si bien se han estudiado exhaustivamente los fluidos a base de MoS 2 , grafeno y Cu, aún no se comprenden los mecanismos subyacentes.

El MoS₂ y el grafeno funcionan como lubricantes de tercer cuerpo, actuando esencialmente como rodamientos que reducen la fricción entre superficies. [ 47 ] [ 48 ] Este mecanismo requiere la presencia de suficientes partículas en la interfaz de contacto. Los efectos beneficiosos disminuyen debido a que el contacto sostenido repele los lubricantes de tercer cuerpo.

Otros enfoques de 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. Se han realizado investigaciones sobre recubrimientos nanolubricantes 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 ofrecen 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 cúmulos de nanopartículas magnéticas o nanoesferas magnéticas de tamaño 80–150 nanómetros forman estructuras ordenadas a lo largo de la dirección de un campo magnético externo con un espaciado 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 EE. UU . (DARPA) está explorando el despliegue militar de NFB en lugar de las baterías de iones de litio convencionales . [ 56 ]

Las nanopartículas de fluido experimentan reacciones redox en el electrodo . Estas partículas están diseñadas para permanecer suspendidas indefinidamente, constituyendo hasta el 80 % del peso del líquido con la viscosidad del aceite de motor. Las partículas pueden fabricarse a partir de minerales económicos, como óxido férrico ( ánodo ) y dióxido de manganeso gamma (cátodo). Los nanofluidos utilizan una suspensión acuosa no inflamable. En 2024, Influit, financiada por DARPA, afirmó estar desarrollando una batería con una densidad energética de 550-850 Wh/kg, superior a la de 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 dentro del vehículo o después de su extracción en una estación de servicio. Se afirma que los costos son comparables a los de las baterías de iones de litio. Se esperaba que un depósito de combustible del tamaño de una batería de vehículo eléctrico (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 puede extraerse y reutilizarse de forma segura. Las baterías de flujo también producen menos calor, lo que reduce su huella térmica para vehículos militares. [ 56 ]

Migración de nanopartículas

Un estudio realizado en 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 (Acción COST 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 realizado en 5 laboratorios informó que "no hay efectos anómalos o inexplicables". [ 58 ]

A pesar de estas investigaciones experimentales aparentemente concluyentes, los artículos teóricos siguen 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 por colisiones entre nanopartículas y moléculas líquidas. La termoforesis induce la migración de nanopartículas de regiones más cálidas a más frías, también debido a tales colisiones. Un estudio de 2017 consideró la discrepancia 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 la transferencia de calor mejorada se descarta en la discusión del uso de nanofluidos en colectores solares .

Véase también

Referencias

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  • Nanofluido de cristales fotónicos con respuesta magnética (vídeo) producido por Nanos scientificae
  • Khashi'ie, Najiyah Safwa; Doctor Arifin, Norihan; Nazar, Roslinda; Hafidzuddin, Ezad Hafidz; Wahi, Nadihah; Pop, Ioan (enero de 2019). "Un análisis de estabilidad para el flujo del punto de estancamiento de la magnetohidrodinámica con condición de flujo de nanopartículas cero y deslizamiento anisotrópico" . Energías . 12 (7): 1268. doi : 10.3390/en12071268 . ISSN 1996-1073 . 

Proyectos europeos:

  • NanoHex es un proyecto europeo que desarrolla refrigerantes nanofluidos de clase industrial.