Повышение термической диффузивности нанофлюидов Al₂O₃ через модулированный лазерно-индуцированный фоттермический фрагментации

Аннотация

Модулированные непрерывные (CW) лазеры запускают фоттермический отклик, который быстро поглощает свет и генерирует термические волны вокруг облученных наноструктур. В этом исследовании мы исследуем, как такое лазерное облучение влияет на фрагментацию частиц и, следовательно, улучшает термическую диффузивность нанофлюидов Al₂O₃. Экономичный диодный лазер (532 нм, 200 мВт) использовался для разрушения агломерированных наночастиц Al₂O₃, диспергированных в деионизированной воде. Лазерно-генерированные термические волны, управляемые частотой модуляции и оптическими/термическими характеристиками нанофлюида, кратко суммированы. Динамическое рассеяние света (ДРС) и проницающая электронная микроскопия (ТЭМ) количественно оценили эффекты времени облучения на размер частиц и распределение, в то время как фотопироэлектрический (ФПЭ) метод измерил термическую диффузивность. Результаты показывают, что частичная фрагментация уменьшает размер агломератов к внутреннему диаметру 11 нм, давая более узкое распредешение размеров. Соответственно, термическая диффузивность увеличилась с 1,444×10⁻³ до 1,498×10⁻³ см²/с после 30 мин облучения, демонстрируя потенциал фоттермической фрагментации для адаптации теплопередаточных свойств нанофлюидов.

Введение

Металл-оксидные нанофлюиды, особенно Al₂O₃, ценятся за их превосходную термическую проводимость и диффузивность по сравнению с базовыми жидкостями, такими как вода или масло. Их производительность, однако, высоко чувствительна к размеру частиц, форме и состоянию дисперсии. Агломерация быстро деградирует термические свойства, необходимые эффективные стратегии дисперсии. Лазерная фабрикация возникла как универсальный инструмент для генерации и модификации наночастиц непосредственно в жидкой среде. Настраивая параметры лазера — длину волны, длительность импульса, энергию и частоту повторения — можно влиять на размер и распределение частиц.

В то время как импульсные лазеры традиционно использовались для аблиции и фрагментации, непрерывные лазеры предлагают преимущества в стоимости, размере и переносимости. Модулированные CW лазеры, в частности, генерируют выраженные фоттермические (ФТ) эффекты и термические волны (ТВ), которые могут разбивать кластеры частиц. Несмотря на обширные исследования лазерно-индуцированного синтеза наночастиц, детальное исследование ФТ эффекта модулированных CW лазеров на термическую диффузивность Al₂O₃ нанофлюидов остается недостаточным. Эта работа заполняет этот пробел, систематически изучая динамику фрагментации и полученное улучшение теплопередачи.

Методы

Подготовка нанофлюида

Наночастицы Al₂O₃ (11 нм, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) диспергировали по 0,05 г на 25 мл деионизированной воды с 1 % об.в. поливинилпирролидона (PVP, Мв ≈ 29 кДа) для стабилизации суспензии. После 1 часа перемешивания и 30 минут зонда соникации (VCX 500, 25 кГц, 500 Вт) суспензия достигла однородного распределения, верифицированного ДРС.

Лазерная фрагментация

Фрагментация проводилась в 2-мм кварцевой кювете, установленной на магнитном мешалке. 532-нм, 200-мВт диодный лазер (MGL 150(10)) фокусировали в пятно 0,1 мм (≈2,5 кВт/см²) и модулировали на 10 Гц с помощью оптического чоппера (SR540). Время облучения 10 и 30 мин применялись. После облучения ТЭМ (Hitachi H-7100) и ДРС (Sympatec Nanophox) характеризовали морфологию и распределение размеров.

Измерение термической диффузивности

Фотопироэлектрическая (ФПЭ) техника, известная своей высокой точностью, измеряла термическую диффузивность нанофлюидов. Медная фольга (50 мкм) выступала пироэлектрическим генератором, в то время как 52-мкм PVDF пленка служила детектором. Лазерно-индуцированная термическая волна распространялась через образец, генерируя напряжение, пропорциональное термической диффузивности. Лок-ин усилитель (SR 530) регистрировал амплитуду и фазу при 6,7 Гц, и данные подгонялись методом сканирования кавиты (уравнения 6–8) для извлечения α.

Результаты и обсуждение

Генерация термической волны

Частота модуляции критически влияет на амплитуду термических волн. Симуляции (рис. 2) указывают оптимальную частоту около 10 Гц, балансирующую амплитуду сигнала и шум. Оптическое поглощение, управляемое размером частиц, формой и концентрацией, напрямую влияет на силу термической волны. Al₂O₃/вода нанофлюиды демонстрируют благоприятное поглощение, с поглощением до 13 % падающего света — усиливаемым дальнейшей более высокой загрузкой наночастиц.

Динамика фрагментации

ТЭМ образы (рис. 5) показывают прогрессивное уменьшение размера частиц: от 16,4 ± 7,8 нм (до облучения) до 14,2 ± 5,4 нм после 10 мин и 12,0 ± 3,5 нм после 30 мин. Данные ДРС (рис. 6) подтверждают сдвиг к узкому, монодисперсному распределению, с гидродинамическими диаметрами, уменьшающимися от ~90 нм до ~91 нм после облучения. Фрагментация насыщается около 30 мин, когда частицы достигают критического размера, где дальнейшее поглощение-индуцированное аблирование уменьшается.

Улучшение термической диффузивности

Калибровка против дистиллированной воды дала α = 1,446×10⁻³ см²/с (в пределах 1 % от литературы). Нанофлюид α увеличился с 1,444 ± 0,008×10⁻³ см²/с (без облучения) до 1,498 ± 0,012×10⁻³ см²/с после 30 мин (рис. 7). 3–6 % рост отражает усиленное броуновское движение и уменьшенный размер агломератов, которые способствуют эффективной теплопередаче от частиц к базовой жидкости. Улучшенная термическая диффузивность подчеркивает эффективность модулированной CW лазерной фрагментации как практической стратегии для оптимизации нанофлюидов.

Заключение

Модулированное CW лазерное облучение эффективно фрагментирует Al₂O₃ агломераты, производя узкое распределение размеров и повышая термическую диффузивность до 6 % в течение 30 мин. Этот низкозатратный, масштабируемый подход демонстрирует жизнеспособность фоттермической фрагментации для адаптации теплопередаточной производительности нанофлюидов, с последствиями для промышленных теплообменников, охлаждения электроники и медицинских терапий.