نانو سيالات

يکي از مباحثي که در مهندسي شيمي مطرح مي شود ، بحث انتقال حرارت در اجسام مي باشد. انتقال حرارت به طور کلي به صورت هدايت (conduction)،جابجايي(convection) و تشعشع مي باشد. وقتي انتقال حرارت در يک جسم بررسي مي شود، همان مفهوم رسانايي گرمايي را دارد که به آن انتقال حرارت هدايتي گوييم . و وقتي از يک جسم به يک سيال انتقال حرارت را بررسي مي کنيم، بحث جابجايي است.از جمله قوانيني که در اين بحث مطرح است، قانون فوريه است

Q = - k دلتاT/ دلتاx

هرچند اين قانون و تئوريهاي موجود در پيشرفت علم و کاربردهاي صنعتي بسيار مفيد بوده، ولي با مشکلاتي همراه است . به طور کلي هدايت حرارتي در سيالات در سطح ماکرو خيلي ضعيف است . زيرا بيشتر سيالات قابل دسترس نسبت به جامدات از نظر انتقال حرارت به صورت هدايتي از قابليت کمتري بر خوردار هستند.

به طور مثال ارزش هدايت گرمايي جامدات کريستالي 1-3 برابر بيشتر از سيالات ماکرو است.

در حال حاضرتکنولوژي انتقال حرارت با افزايش تقاضا در کاربردهاي سرماسازي با مولفه هاي شار حرارتي بسيار کوچک مواجه است. در دستگاه هاي نوري ، آهنربا هاي ابر رسانا ، کامپيوتر هاي فوق سريع ، موتورهاي ماشين،.... نيازمند سيستم هاي خنک کننده هستيم. تمام سيستم هاي خنک کننده (سرمايش) و گرمايش بر پايه مسائل انتقال حرارت است.

معمولا سيستم هاي خنک کننده با هوا بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرند و قابل اطمينان تر هستند؛ اما براي زمانيکه ما نيازمند شار حرارتي بالا هستيم و مي خواهيم انتقال حرارت سريع صورت مي گيرد، از مايعات سرماساز مانند آب و آمونياک استفاده مي شود که محدوديت دارند.نيازهاي موجود باعث شده اند که به راه حل ديگري توجه شود و آن استفاده از سوسپانسيون سيال و ذرات جامد بسيار کوچک است.Steve Choi

محققي است که سالها بر روي اين نظريه کار کرده است؛ اما اين سيالات با ذرات جامد معلق در حد ميکرومتر مشکلات فراواني داشته اند مانند رسوب گذاري، ناخالصي ،خوردگي و افزايش افت فشار و...تا اينکه در سال 1993 ايده نانوسيال توسط Choi و Jeff Eastman مطرح شد و انقلاب بزرگي در زمينه انتقال حرارت در سيالات پديد آمد.در واقع نگاه تازه اي به سوسپانسيون سيال جامد با ذراتي در ابعاد نانو مطرح شد.

همچنين به مقدار زيادي خوردگي،ناخالصي و مشکلات افت فشار به دليل کوچک بودن ذرات کاهش پيدا کرد و از طرفي پايداري برخي سيالات در مقابل رسوب گذاري به طور چشمگيري بهبود يافت.نانوتکنولوژي به طور کلي معرف روش جابجايي تک تک اتم ها و آرايش آنها به صورت دلخواه مي باشد.به همين سبب اندازه و ابعاد کاري اين مجموعه بسيار کوچک اند که البته پيشوند نانو بيانگر حدود اين فناوري است.نانوسيالات(Nano fluids ) ، سيالاتي هستند که داراي ذرات جامد معلق در حد نانو مي باشند که شامل سيال پايه مانند آب، روغن ، سيال رادياتور(آب + اتيلن گليکول) به همراه ذرات جامد در حد نانو مس ، اکسيد مس، آلومينيوم ، اکسيد آلومينيوم ، کربن و ... مي باشند.بر اساس آزمايشات انجام شده توسط نانوسيالات ، افزايش قابل ملاحظه اي در رسانايي گرمايي اين مواد در دماي اتاق مشاهده شد و همچنين در دماهاي بالاتر هم اين رسانايي گرمايي بيشتر هم مي شود.اين مشاهدات را براساس قانون فوريه نمي توان توجيه کرد.تاکنون مدل پراکندگي dispearsion model بوسيله Xuan و همچنين مدل Hamilton ، ابزار مناسبي در مدلسازي تئوري نانوسيالات مي باشند.اضافه کردن 3% حجمي از نانوذرات اکسيد مس به اتيلن گليکول هدايت حرارتي را به اندازه 15% افزايش مي دهد و وقتي 3/. % حجمي از ذرات کروي مس با قطر 10 نانومتر در اتيلن گليکول معلق شود ، قابليت انتقال حرارت 40% افزايش مي يابد.

در صورت معلق کردن 1% حجمي از نانوتيوب هاي کربني در روغن،50% انتقال حرارت افزايش مي يابد.يکي از روش هاي توليد نانوسيال، استفاده از تکنيک فيزيکي پوشاندن سطح با لايه نازک گازي (vapor deposition ) است؛ که در واقع رسوب بخارات فلزي و اکسيدهاي فلزي است ( در حد ذراتي با قطر 10 تا 50 نانومتر) و سپس آنها را در سيالات پايه(آب و روغن و ...) معلق مي کنند.مثلا مس را در داخل يک کانال خلأ آنقدر حرارت مي دهند تا بخار شود، سيال سردي در کنار اين کانال قرار مي دهند و بخارات فلز وقتي در تماس با سيال سرد قرار مي گيرد، ذرات نانوکروي با قطر10 نانو متر در سيال تشکيل مي شود . سوسپانسيون هاي پايداري از نانو ذرات ، نانوفايبرها و نانوکامپوزيت ها در سيالات رايج يعني آب، روغن، محلولهاي پليمري و ... تاکنون ساخته شده است.

ذرات در حد ميکرومتر به سرعت در سيال ته نشين مي شدند و به انتهاي مخزن يا لوله مي رفتند و اگر سيال را در حال چرخش قرار دهيم تا از ته نشيني جلوگيري شود، اين ذرات به ديواره لوله ها ، پمپ ها ، ... صدمه مي زدند. در واقع ذراتي نياز بود که هم به مدت کافي معلق باشند و هم قادر باشند مقدار زيادي حرارت با سرعت بالا جذب کنند. نانوسيالات سرمايشي مي توانند از ميان مکانهاي بسيار باريکي عبور کنند بدون اينکه نياز به کانالهاي بزرگ باشد.اين خود يکي از مزاياي اين سيالات است که مي توان از آنها در ابزارهاي کوچک الکتروني براي امر سرمايش استفاده کرد.همچنين مي توان از نانوسيالات براي فرستادن دارو در مکان خاصي از بدن با دُز بالا استفاده کرد بدون اينکه به بافت آسيب برسد.

نانوسيالات کاربردهاي زيادي دارند؛ در واقع سايز اين مواد است که چنين تفاوتي در خواص آنها ايجاد مي کند و ويژگيهاي کاملا متفاوت از سيال پايه(مادر) خود دارند.همچنان خيلي از مسائل در مورد نانوسيالات نامعلوم است و نيازمند کار و آزمايش و تحقيقات بيشتري است تا بتوان تئوري هايي در اين زمينه مطرح کرد و خواص فيزيکي شيميايي آنها بهتر مشخص شود. در اين صورت مي توانيم مسائل هزينه ساخت و توليد اين سيالات را پايين آورد و در صنايع مختلف استفاده کرد و به مرحله تجاري رساند.] هر چند نانوسيالات ساخته دست بشر است ولي نکته جالب آن است که نانوسيالات در طبيعت وجود دارند و مهمترين نانوسيالي را که مي توان در طبيعت بيان کرد، خون است؛ يک کمپلکس از نانوسيال بيولوژيکي[Application of nanofluids: More efficient cooling and heating in new and critical application,Environmental control and clean up( nano_carries removal components)Nano_carries for extraction of useful components(oil from sand and rocks)In medicine: nanoparticles in body fluids may be used for drug delivery and other functions.