Efecto fototérmico de la irradiación láser moduladora sobre la difusividad térmica de los nanofluidos de Al2O3

Resumen

Los láseres de onda continua modulada (CW) provocan un efecto fototérmico que conduce a una rápida absorción óptica y generación de ondas térmicas alrededor de las nanoestructuras irradiadas. En este trabajo, examinamos el efecto de la irradiación láser CW modulada en el proceso de fragmentación de partículas para mejorar la difusividad térmica de los nanofluidos. Se aplicó un láser de diodo fácil y rentable para reducir el tamaño aglomerado de Al ₂ O ₃ nanopartículas en agua desionizada. La generación de ondas térmicas, que fue determinada por la frecuencia modulada del rayo láser y las propiedades ópticas y térmicas del nanofluido, también se analiza y resume brevemente. La influencia del tiempo de irradiación láser en el tamaño de las nanopartículas y su distribución de tamaño se determinó mediante microscopía electrónica de transmisión y dispersión de luz dinámica. La difusividad térmica del nanofluido se midió mediante el método fotopiroeléctrico. Los datos obtenidos mostraron que la irradiación láser modulada provocó la fragmentación parcial de algunas partículas aglomeradas en los coloides, con un diámetro promedio cercano al tamaño de partícula original, como lo indica un tamaño de distribución estrecho. La reducción en el tamaño aglomerado de las partículas también resultó en una mejora de los valores de difusividad térmica, de 1,444 × 10 ⁻³ a 1,498 × 10 ⁻³ cm ² / s en 0 a 30 min de tiempo de irradiación. Este trabajo aporta nuevas posibilidades y conocimientos sobre la fragmentación de nanomateriales aglomerados basados en el estudio fototérmico.

Antecedentes

Los nanofluidos de óxidos metálicos han atraído mucha atención debido a sus propiedades térmicas mejoradas, lo que les permite desempeñar funciones específicas en el desarrollo de equipos de transferencia de calor. Es bien sabido que los nanofluidos de óxidos metálicos poseen propiedades termofísicas mejoradas tales como difusividad térmica, conductividad térmica y coeficientes de transferencia de calor por convección en comparación con los de los fluidos base como el aceite o el agua. Al ₂ O ₃ Es un óxido interesante, como material para mejorar la transferencia de calor, debido a su alta conductividad térmica. La conductividad térmica de los nanofluidos actúa como propiedades importantes en el desarrollo de un equipo de transferencia de calor energéticamente eficiente, utilizado principalmente en el campo industrial como la automoción, equipos electrónicos y aplicaciones médicas. Las propiedades térmicas de los nanofluidos son sensibles al tamaño y la forma de las nanopartículas (NP) y sus fluidos base [1,2,3,4,5]. Esto plantea un problema, ya que las NP tienden a agregarse rápidamente y provocan una disminución de las propiedades térmicas de los nanofluidos [6, 7, 8]. Recientemente, se han utilizado métodos de nanopartículas producidas por láser para modificar y generar NP directamente en los fluidos base [8,9,10] para su uso en ingeniería química, óptica y térmica, fototerapia, catálisis y transferencia de calor. El tamaño y la dispersión del mismo se pueden controlar variando los parámetros del láser, como la longitud de onda del láser, la duración del pulso, el número de pulsos del láser y la energía del pulso [11, 12]. En general, la interacción entre el láser y las partículas no solo provocó la ablación fototérmica, sino que también generó ondas térmicas (TW) alrededor de las nanoestructuras y su medio circundante, que conducen a una reducción del tamaño de las partículas o la formación de NP con un distribución de tamaño específico. Los estudios sobre la fabricación óptica de NP mediante irradiación láser mostraron que la ablación con láser de objetivos sólidos [12,13,14,15] y la fragmentación de polvos microcristalinos suspendidos [16,17,18,19,20,21,22,23, 24, 25, 26] puede emplearse mediante el uso de potentes láseres pulsados o fuentes de láser CW de baja potencia. Los láseres pulsados se han utilizado en muchos estudios para la ablación con láser de objetivos sólidos en líquidos. Aunque la irradiación con láser es una técnica útil para ayudar a la formación de NP en nanofluidos, la eficiencia del proceso de irradiación con láser es bastante sensible a la duración del pulso. Sin embargo, en el caso de la irradiación con láser pulsado, el tamaño y la distribución de NP se vieron significativamente influenciados por el número y los tiempos de irradiación de los pulsos de láser. Esto implica que todavía era difícil lograr una mayor producción de partículas con control sobre las distribuciones de tamaño de los nanoclusters producidos. En los últimos años, los láseres CW se han utilizado en varios estudios para la fabricación de NP [27,28,29,30]. Existen varias ventajas en el uso de fuentes láser CW en comparación con otras fuentes ópticas, ya que generalmente son menos costosas, más pequeñas y tienen una configuración más portátil que se puede combinar potencialmente con otros dispositivos, especialmente como fuente de terapia fototérmica para aplicaciones médicas y la remodelación y fabricación de nanomateriales [30, 31]. Recientemente, se han realizado muchas investigaciones experimentales y teóricas destinadas a comprender el mecanismo de la irradiación láser [24, 31,32,33,34,35,36]. Sobre la base de cálculos y confirmaciones experimentales, la ablación con láser y la fragmentación de las NP pueden ser impulsadas por el efecto fototérmico (PT) [37,38,39,40,41]. El efecto PT permite optimizar y monitorear la eficiencia de la irradiación láser con diferentes fuentes ópticas en diferentes diseños experimentales [42,43,44,45,46,47,48,49]. El láser CW modulado se usa generalmente en aplicaciones que involucran el efecto PT. Puede ser una buena fuente de luz PT dada una frecuencia de modulación óptima. Se puede observar un aumento en la eficiencia de las ondas térmicas y la relación señal / ruido (S / N), haciéndolo más adecuado para el proceso de fragmentación de NP. Además, una optimización cuidadosa de las condiciones experimentales puede establecer el control sobre las distribuciones de tamaño de los nanoclusters producidos y las propiedades térmicas de los nanofluidos. Sin embargo, no existe ningún estudio detallado en la literatura sobre el efecto PT de la modulación del láser CW sobre la formación y el tamaño de las NP y sus propiedades térmicas.

En el artículo, se utilizó un láser de diodo CW para la fragmentación de Al ₂ agrupado O ₃ partículas para mejorar la difusividad térmica de los nanofluidos, bajo varios tiempos de irradiación. Se resumió brevemente la base de la generación de ondas térmicas del rayo láser de onda continua modulada y se discutieron el efecto de la frecuencia del rayo modulado y los parámetros físicos. Los resultados del proceso de fragmentación del láser se analizaron mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) y análisis de dispersión dinámica de luz (DLS). Finalmente, se investigó el efecto del tratamiento con láser sobre la difusividad térmica de los nanofluidos. La técnica fotopiroeléctrica (PPE) se utilizó como método válido para medir la difusividad térmica de los nanofluidos con altísima precisión y resolución.

Generación de ondas térmicas del rayo láser modulado

En el láser modulado en CW, la absorción del haz de luz incidente modulado provoca un campo de ondas térmicas, que es el resultado de la distribución periódica de temperatura en la superficie [50]. En el caso de la modulación con diferentes frecuencias, cuando la superficie de un material absorbente se irradia con una radiación óptica modulada a la frecuencia f , donde el flujo es la intensidad de la fuente y es la frecuencia angular modulada de la luz incidente, la absorción del haz de luz incidente modulada dará como resultado la generación de ondas térmicas en la superficie de la muestra. La figura 1 es una ilustración esquemática de los fenómenos que resultan de la exposición de una superficie de muestra a un rayo láser de onda continua modulada. La energía térmica acústica que surge debido a los efectos PT conduce al transporte de ondas térmicas a través de la muestra y el medio circundante.

Fenómenos fototérmicos provocados por la iluminación de una superficie por haz de luz modulado

En el caso de un nanofluido con una cantidad de partículas sólidas, las ondas térmicas generadas en las partículas sólidas se difunden en ambos medios, incluidas las otras partículas sólidas y la capa de fluido adyacente, en un campo de ondas térmicas tridimensionales. La onda térmica se difunde en 3-D, si la fuente de calor es pequeña en comparación con las dimensiones laterales de la muestra; esta ecuación de difusión térmica debe resolverse mediante simetría cilíndrica. Según la teoría de la serie de Fourier, la relación entre el gradiente de temperatura (∇ T ) y la tasa de conducción ( k ) en la dirección del flujo de energía ( q ) en un material es

$$ q =-k \ nabla T $$ (1)

, y la ecuación diferencial de conducción de calor es [50]

$$ {\ nabla} ^ 2T =\ frac {1} {\ alpha} \ frac {\ parcial T} {\ parcial t} $$ (2)

La ecuación de difusión térmica en la partícula sólida, como fuente de calor distribuida, es [51]

$$ \ frac {\ parcial ^ 2 {T} _s} {\ parcial {r} ^ 2} + \ frac {1} {r} \ frac {\ parcial {T} _s} {\ parcial r} + \ frac {\ parcial ^ 2 {T} _s} {\ parcial {z} ^ 2} =\ frac {1} {\ alpha_s} \ frac {\ parcial {T} _s} {\ parcial t} - \ frac {1} {2k} {I} _0 \ left (1 + {\ mathrm {e}} ^ {i \ omega t} \ right) $$ (3)

Las ecuaciones de difusión térmica en medio fluido base se pueden escribir como [51]

$$ \ frac {\ parcial ^ 2 {T} _l} {\ parcial {r} ^ 2} + \ frac {1} {r} \ frac {\ parcial {T} _l} {\ parcial r} + \ frac {\ parcial ^ 2 {T} _l} {\ parcial {z} ^ 2} =\ frac {1} {\ alpha_l} \ frac {\ parcial {T} _l} {\ parcial t} $$ (4)

La propagación de ondas térmicas en un material depende de su difusividad térmica α =( k / ρc ) ^1/2 , donde k denota la conductividad térmica, ρ la densidad y c la capacidad calorífica. La onda térmica que se propaga T ( x , t ) en el enfoque unidimensional se puede encontrar resolviendo la ecuación compleja

$$ T \ left (x, t \ right) ={T} _0 {e} ^ {\ left (-x / \ mu \ right)} {e} ^ {\ left [i \ left (\ omega tx / \ mu \ right) \ right]} $$ (5)

donde σ _j =(1 + i ) / μ _j es el coeficiente de difusión de ondas térmicas, μ =( α / π f ) ^1/2 es la longitud de difusión térmica a la frecuencia f , y α es la difusividad térmica de la muestra líquida; T _o es el cambio inicial de temperatura producido por la fuente, y la onda se atenúa en un factor de 1 / e . La Figura 2a, b muestra claramente la desintegración térmica de la amplitud y fase de las ondas térmicas (Ec. 5) en función de la distancia (profundidad) de la fuente en x = x ₀ . La tasa de disminución de la amplitud abrupta (exponencial) desde la fuente depende de la difusividad térmica del medio; cuanto mayor sea la difusividad, más suave será la pendiente. Se observa un comportamiento similar para la fase. Para la baja difusividad térmica, las ondas térmicas inducidas tienen una longitud de onda térmica corta y están sujetas a una gran atenuación. Por lo tanto, la transferencia de calor en la superficie de la partícula no ocurre y el efecto PT comienza a reducirse, porque la característica principal de la onda térmica es que decae fuertemente [52, 53]. Esta simulación mostró que el efecto térmico predomina en partículas con alta difusividad térmica y desprendimiento inducido de la superficie de la partícula. En este trabajo se utiliza agua como líquido de mayor difusividad térmica que los otros líquidos, por lo que produce mayor S / N en comparación con este último.

un Amplitud y b fase de Eq. (5) con difusividad térmica α como parámetro

Métodos

Preparación de nanofluidos

Los nanofluidos se prepararon dispersando 0,05 g de Al ₂ O ₃ NP (11 nm, materiales nanoestructurados y amorfos, Inc.) en 25 ml de agua desionizada (DI). Se añadió un porcentaje en volumen de polivinilpirrolidona (PVP) (K25, MW – 29000, Aldrich Chemistry) para estabilizar los nanofluidos; Al ₂ O ₃ Los NP en el agua tienen una fuerte tendencia a formar agregados [54, 55]. La suspensión se agitó en aproximadamente 1 h, luego la mezcla se sometió a sonicación con sonda durante 30 min (VCX 500, 25 kHz, 500 W) para asegurar una distribución homogénea de las partículas. Después de que la suspensión se mezcló completamente durante 30 minutos, se controló el tamaño hidrodinámico de las partículas aglomeradas en la solución usando DLS.

Proceso de fragmentación láser

El proceso de fragmentación del láser mediante un rayo láser de CW modulado se representa en la Fig. 3a. La configuración experimental del láser modulado en CW es un experimento bastante simple. Se colocó una cubeta que contenía 2 ml de la solución de muestra en una placa de agitación y se irradió a lo largo del eje vertical con un láser de estado sólido bombeado por diodo CW (532 nm, 200 mW, MGL 150 (10)). El láser se moduló usando un chopper óptico (SR540) a una frecuencia de modulación de 10 Hz, para producir una relación S / N razonablemente alta. El láser se centró en aproximadamente 0,1 mm (2,5 kW / cm ² ) de la superficie de la solución en la cubeta de cuarzo utilizando una lente de distancia focal de 10 cm. Se llevó a cabo una agitación magnética para asegurar una distribución homogénea de las partículas. El proceso se repitió en 10 y 30 min. Después de cada experimento, las morfologías de las suspensiones coloidales obtenidas fueron analizadas por TEM (H-7100, Hitachi, Tokio, Japón), y la distribución de tamaño del Al ₂ O ₃ Los NP en solución se determinaron utilizando el software UTHSCSA ImageTool (versión 3.0). El tamaño hidrodinámico de las partículas aglomeradas en la solución se obtuvo del análisis DLS utilizando el analizador Nanophox (Sympatec GmbH, D-38678), y se tomó un promedio de al menos cuatro mediciones.

un Diagrama de bloques de la configuración experimental utilizada en la fragmentación de partículas mediante un rayo láser CW modulado y b vista esquemática de la celda de detección de configuración fotopiroeléctrica (PPE) para la medición de la difusividad térmica

Medidas de difusividad térmica

Los detalles de la configuración experimental para las mediciones de difusividad térmica en muestras líquidas se pueden encontrar en otro lugar [56]. Se ha demostrado que la técnica PPE es un método útil para analizar las propiedades térmicas de varios tipos de líquidos, con muy alta precisión y resolución [51, 52, 53, 56, 57, 58, 59]. La ventaja de esta técnica es que utilizamos un volumen pequeño y limitado junto con un tiempo de medición corto [56,57,58,59]. Se empleó la técnica de PPE para medir la difusividad térmica del Al ₂ O ₃ nanofluidos. La Figura 3b muestra la cámara o celda de generación de señales de PE utilizada en la técnica de PPE. La celda contenía una lámina de cobre (50 μm de espesor) que actuaba como generador de PE y una película de difluoruro de polivinilideno (PVDF) de 52 μm (MSI DT1-028 K / L) actuaba como detector de PE, y la muestra de nanofluido se colocó en este cavidad. Dado que la película de PVDF es muy flexible, se fijó con pegamento de silicona al sustrato de Perspex. La superficie de la hoja de cobre se revistió con una capa muy fina de hollín de carbono para actuar como un eficiente convertidor de luz a calor. La intensidad de un láser de diodo (532 nm, 200 mW) fue modulada por el cortador óptico (SR540) antes de la iluminación sobre una lámina de cobre. En la celda, la onda térmica se propaga a través del líquido y llega al detector de PE, que genera una señal de PE proporcional a la intensidad de la onda térmica. La señal de PE generada por el detector PVDF se analizó utilizando un amplificador de bloqueo (SR.530) para producir señales de fase y amplitud de PE. Para evitar vibraciones y posibles contribuciones del sensor de PVDF, su cara trasera inferior se adjuntó a un contenedor Perspex. El experimento se realizó para la exploración de la cavidad. La frecuencia a 6,7 Hz se eligió para un régimen térmicamente espeso para una amplitud de señal razonablemente alta en el sistema. Las medidas se realizaron a temperatura ambiente (aproximadamente 22 ° C). Las mediciones se repitieron cinco veces para una muestra particular y se tomó el valor de difusividad térmica promedio. Se usó el software LabVIEW, instalado en PC, para capturar la señal PE y los datos se analizaron usando Origin 8. El campo de temperatura del sistema experimental se puede calcular de acuerdo con la teoría de la conducción por cavidad de ondas térmicas [57]. La señal PE detectada por el sensor PVDF, la señal PE ( V ), está determinada por la distancia de la longitud de la cavidad y la difusividad térmica de la muestra:

$$ V \ left (f, l \ right) ={V} _0 \ exp \ left (- \ left (1 + i \ right) AL \ right) $$ (6) $$ \ ln \ left | V \ izquierda (f, l \ derecha) \ derecha | =\ ln \ izquierda | {V} _0 \ derecha | - AL $$ (7) $$ \ varphi ={\ varphi} _0- AL $$ (8)

donde A =( πf / α ) ^1/2 para obtener esta expresión, V (f , l) es la señal PE compleja, V _o y φ son la amplitud y la fase de la señal PE, f es la frecuencia de modulación y α es la difusividad térmica de la muestra. Desde el parámetro de ajuste de pendiente A =( πf / α ) ^1/2 de fase e ln (amplitud) en función de la exploración de la cavidad, se puede calcular la difusividad térmica del líquido [58].

Resultados y discusión

Mejora de la onda térmica

Hay algunos parámetros clave que deben tenerse en cuenta para generar una fuerte amplitud de onda térmica:

a.
Frecuencia de modulación de la luz de modulación

De la ecuación. (5), debe haber una frecuencia de modulación óptima para maximizar la amplitud de la onda térmica. A diferencia de otras ondas, la onda térmica está muy amortiguada con una constante de desintegración igual a la longitud de difusión térmica del medio de propagación [52]. Las ondas térmicas que se originan a una profundidad no superior a la longitud de difusión térmica en el material contribuyen a la propagación del calor [53]. Las ondas térmicas se reflejan y transmiten en la interfaz y la amplitud de las ondas térmicas se atenúa dentro de una longitud de difusión térmica de la muestra. Con frecuencia de modulación creciente según Eq. (5), la longitud de difusión térmica disminuye y solo la luz absorbida dentro de la capa superficial contribuye a la señal, mientras que las ondas térmicas se propagarán profundamente en un sólido si el material tiene una alta difusividad térmica o si la frecuencia de la onda térmica es baja. En el experimento, se debe elegir cuidadosamente la frecuencia de modulación para obtener un pico resonante agudo (en realidad, un valle). La frecuencia de modulación se elige en el rango espacial. Si la frecuencia es demasiado baja, la señal es fuerte, pero el pico es demasiado plano para una determinación precisa de su máximo. Mientras que si la frecuencia es demasiado alta, el pico es bastante nítido, pero la relación señal / ruido (S / N) se ve comprometida, lo que dificulta la identificación de la posición del pico.

La Figura 4 muestra la parte real simulada (en fase) de la señal PE en función de la longitud de la cavidad del agua, a una frecuencia diferente de 7 Hz a 100 Hz. Se puede ver que la relación S / N fue mayor para las frecuencias más bajas, 7 Hz, mientras que el pico fue demasiado plano para una determinación precisa de su máximo (Fig. 4a). Sin embargo, el pico fue bastante nítido a frecuencias más altas, 100 Hz, (Fig. 4d), y se obtuvo una señal de salida más pequeña, lo que dificultó la identificación de la posición del pico [52]. Se descubrió experimentalmente que con 10 Hz como frecuencia operativa, la relación S / N era buena en un rango de frecuencias y tenía una amplitud de señal satisfactoria en el sistema.

b.
Absorción óptica de los nanofluidos

La parte real (en fase) de la señal de PE frente a la longitud relativa de la cavidad para el agua a diferentes frecuencias: a 7 Hz, b 20 Hz, c 50 H y d 100 Hz, difusividad térmica del agua ( α _w , =0,00145 cm ² .s ⁻¹ )

Cada partícula es un objeto de luz que dispersa y absorbe la luz. La energía absorbida se puede convertir en calor y la suma de la absorción de luz de las partículas es la extinción térmica. La amplitud de la onda térmica se puede incrementar aumentando la absorción óptica [52, 59] en los nanofluidos. El tamaño, la forma y la fracción de volumen de las partículas, así como la alternancia de los fluidos base, tienen un efecto importante sobre la absorción óptica de los nanofluidos. El Al ₂ O ₃ / nanofluido de agua tuvo una absorción óptica favorable. La energía óptica que absorbe el 13% del agua aumentó con Al ₂ O ₃ NP en el fluido base y se mejoró aún más cuando aumentó la concentración de NP. Con una alta concentración de NP, la luz incidente de cada partícula se absorbió en una capa superficial delgada.

c.
Capacidad calorífica específica de los nanofluidos

Fabricación de partículas pequeñas de Al ₂ O ₃ en solución mediante el uso de un láser CW modulado, la fragmentación puede aumentar el almacenamiento de calor del nanofluido, debido al hecho de que la capacidad calorífica específica del fluido base disminuyó al disminuir el tamaño de partícula y aumentar la cantidad de NP, debido al aumento del área de superficie a -relación de volumen de las partículas [6]. Por lo tanto, la menor capacidad de calor específico del nanofluido permitió la amplitud de la onda térmica debido al aumento de temperatura y la transferencia de calor mejorados.

d.
Difusividad térmica de los nanofluidos

El calor se transfiere de las partículas sólidas al medio circundante seguido de la expansión de la onda térmica, donde la amplitud de las ondas térmicas (TW) es una función importante de la difusividad térmica. Como se muestra en la Fig. 2, normalmente se prefiere una mayor difusividad térmica para longitudes de difusión térmica más altas y la amplitud de la onda térmica por debajo de la superficie decae lentamente. Por lo tanto, la gran difusividad térmica del fluido base es crucial para la transferencia de calor efectiva desde las partículas sólidas al fluido, maximizando así la generación de ondas térmicas. En este trabajo, agua con alta difusividad térmica (0,00145 cm ² / s) fue un buen fluido base para la generación eficiente de ondas térmicas. La difusividad térmica del agua aumentó con una cantidad creciente de NP, debido al aumento de los movimientos brownianos [56]. La mayor difusividad térmica y menor calor específico del Al ₂ O ₃ el nanofluido en comparación con el agua le permitió ser un excelente generador de ondas térmicas.

Resultados experimentales

Fragmentación láser del Al ₂ O ₃ Nanopartículas

Las imágenes TEM que muestran el tamaño promedio y la distribución del tamaño del Al ₂ O ₃ En la Fig. 6 se muestran NP en solución de agua desionizada / PVP antes y después de 10 min y 30 min de irradiación. Se puede ver que el material recolectado estaba compuesto por grupos de partículas de forma casi esférica, dispersas en un material altamente poroso. Se observó cierta aglomeración de alrededor de 100 nm de diámetro y el tamaño medio del Al ₂ O ₃ La NP fue de aproximadamente 16,4 ± 7,8 nm (Fig. 5a). El intervalo de material poroso se redujo y se encontró que el tamaño medio de partícula era 14,2 ± 5,4 nm después de 10 min de irradiación (Fig. 5b). La Figura 5c mostró que el Al ₂ O ₃ Las NP se distribuyeron casi uniformemente y fueron de tamaño estrecho (12,03 ± 3,5 nm) después de 30 min de irradiación como resultado de la absorción de energía láser que conduce a la fragmentación de las partículas [25]. Sin embargo, la tasa de fragmentación de las partículas disminuyó cuando las NP alcanzaron su tamaño crítico después de 30 min de irradiación. El aumento del número total de partículas dio como resultado un aumento en la concentración de NP, y la aglomeración de estas pequeñas partículas, por lo tanto, disminuyó la absorción de luz de las partículas en solución. Los datos obtenidos mostraron que el efecto de la irradiación láser sobre el tamaño de la distribución fue mayor que sobre el tamaño de las partículas [11].

Las imágenes TEM y los histogramas de tamaño relativo de Al ₂ O ₃ -NPs a antes (16,4 ± 7,8 nm) y después de la irradiación láser, en b 10 min (14,2 ± 5,4 nm) y a c 30 min (12,03 ± 3,5 nm), respectivamente

El diámetro hidrodinámico del Al ₂ O ₃ las partículas en los nanofluidos pueden proporcionar información sobre la estabilidad de los nanofluidos. La Figura 6 muestra la función de densidad de distribución de las NP en la suspensión (a) sin y con irradiación después de (b) 10 min y (c) 30 min. La gravedad de la curva de densidad proporciona el diámetro medio de la esfera. Además, se obtuvo un tamaño hidrodinámico estrecho de las partículas cuando se exponen al láser después de 10 y 30 min (byc), mientras que las partículas antes de la irradiación tenían una interfase ampliamente extendida que indica un mayor grado de polidispersidad (Fig. 6a). Los datos obtenidos mostraron que se obtuvo una curva de distribución más pronunciada de las partículas altamente homogéneas después de la irradiación con láser. Esto podría deberse a la fragmentación de las partículas después de la irradiación con láser. Los tiempos de irradiación láser más largos dieron como resultado una mayor fragmentación de las partículas y, por lo tanto, un mayor número de partículas en solución con una distribución nítida. Se observó que la tendencia a aglomerarse aumentó con un aumento en el número de partículas más pequeñas en el agua [7, 54, 55]. La Figura 6d muestra la distribución del diámetro hidrodinámico del Al ₂ O ₃ partículas en los nanofluidos con diámetros de 87,7 ± 14,59 nm y 90,97 ± 9,21 nm y 91,57 ± 2,61 nm para antes y después de 10 y 30 min de irradiación, respectivamente. Se encontró que la distribución del tamaño de las partículas disminuyó de ~ 15 a ~ 3 nm, cuando los tiempos de irradiación aumentaron de 0 a 30 min, respectivamente. La fragmentación de los aglomerados tuvo lugar a través de una absorción directa del láser con un resultado final de partículas que tenían una distribución de tamaño casi uniforme como se ve en los datos de Nanophox y TEM. Los datos obtenidos mostraron que el efecto de la irradiación láser sobre el tamaño de la distribución fue mayor que el del tamaño de las partículas. Sin embargo, el tamaño hidrodinámico de las NP obtenidas del analizador Nanophox fue siempre mayor que el tamaño de las partículas secas obtenidas de TEM, ya que el diámetro medio hidrodinámico es el tamaño de las partículas aglomeradas en solución. Los efectos bruscos de distribución y reducción de tamaño observados aquí se han informado en la literatura [7,8,9,10, 16,17,18,19,20,21,22,23].

La densidad de distribución determinada con el analizador Nanophox de Al ₂ O ₃ partículas en las suspensiones a sin, con irradiación después de b 10 min y c 30 min y d distribución del diámetro hidrodinámico de NP en nanofluidos en función de los tiempos de irradiación

Medidas de difusividad térmica

Para medir el efecto de la irradiación láser sobre la difusividad térmica de los nanofluidos, en primer lugar, se calibró la configuración experimental utilizando agua destilada como líquido estándar. La difusividad térmica se midió ajustando la señal de PE del ln (amplitud) (ecuación (7)) y fase (ecuación (8)) versus la longitud de la cavidad. El promedio para el agua destilada fue (1.4460.011) × 10 ⁻³ cm ² / s, que difiere en <1% de la bibliografía [56]. La Figura 7 muestra las gráficas lineales de amplitud logarítmica versus la longitud de la cavidad del Al ₂ O ₃ nanofluidos a diferentes tiempos de irradiación láser de 0 a 30 min en función de la longitud relativa de la cavidad. Las pendientes de la señal PE (ln (amplitud), fase y promedio) y los valores de difusividad térmica resultantes medidos en el presente trabajo se resumen en la Tabla 1.

Amplitud logarítmica típica en función de la longitud relativa de la cavidad de Al ₂ O ₃ nanofluidos en diferentes tiempos de irradiación [0, 10 y 30 min]

La difusividad térmica mostró una mejora en comparación con el fluido base. Sin embargo, para el nanofluido sin irradiación, la difusividad térmica fue (1,444 ± 0,008) × 10 ⁻³ cm ² / s, que era menor que el fluido base. Esto podría deberse a la baja difusividad térmica de PVP en los nanofluidos. La difusividad térmica aumentó gradualmente alrededor del 3-6% después de la irradiación con láser, que se definió como un efecto de envejecimiento [56, 57]. El aumento de la difusividad térmica con un tiempo de irradiación más prolongado fue consecuencia de la disminución de los grupos y tamaños de los aglomerados, debido a la fragmentación de las NP más grandes [7,8,9,10]. Generalmente, la densidad del número de partículas o fracciones de volumen de las partículas aumentaba y era evidente que la reducción del tamaño de las partículas aumentaba los efectos de mezcla a nanoescala, como los movimientos brownianos [56]. Por tanto, esto podría ayudar a mejorar la difusividad térmica de los nanofluidos. Sin embargo, el aumento en el número de partículas en la solución influyó en la velocidad de fragmentación del láser, debido a la atenuación de la luz del láser en el líquido a altas concentraciones.

En principio, la interacción entre el rayo láser CW (en nuestro experimento 10 ³ W / cm ² ) y el Al ₂ O ₃ Los racimos se rigen por efectos térmicos que dependen de las características de la radiación láser y de la naturaleza de la partícula. Por lo tanto, se ha dirigido una investigación considerable hacia la disminución del tamaño de las partículas utilizando varios láseres de nanosegundos (ns) y femtosegundos (fs) que funcionan con diferentes duraciones de pulso [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 21, 25, 26,27]. Casualmente, se obtuvo exactamente el mismo resultado a través de nuestros experimentos. Como resultado de los nanofluidos, en la irradiación láser, el tiempo afectó principalmente a las partículas más que a su tamaño. Esto probablemente se debió al efecto de la irradiación láser sobre la fragmentación de las partículas aglomeradas a las NP más pequeñas, aumentando así la distribución homogénea de partículas del Al ₂ O ₃ nanofluidos. These results demonstrated the surprisingly narrow distributions, with size dispersions in the order of the mean size, which was confirmed by measuring TEM and Nanophox results. This suggested that the NPs were excited and heated by irradiation of the modulated CW laser with some heat loss to the surrounding water, while the absorption of the laser energy by the particles could cause further fragmentation of the particles to smaller possible sizes thus increasing the total number of particles in the solution [28]. In addition, the distribution of particle also decreased with an increase in the laser irradiation time, which has been reported with other materials, such as metal [11, 13, 14, 17] and metal oxide [9, 10, 29].

Conclusiones

In conclusion, we confirmed that the modulated continuous wave laser can be used as a good photothermal light sources to generate the thermal waves for fragmentation of the clustered Al₂ O ₃ particles and enhancing the thermal diffusivity of the Al₂ O ₃ nanofluidos. Modulated CW laser technique shows an enormous promise for accurate characterization of the particle size distribution of Al₂ O ₃ nanofluidos. There are some controlled experiments to optimize the thermal wave generation efficiency, such as the size of the particles, modulation frequency, thermal properties of particles, and base fluid. The results showed that the effect of laser irradiation on the distribution size was more on the size of particles. The thermal diffusivity of the Al₂ O ₃ nanofluid increased to 3–6% with the increase of irradiation times, due to the fragmentation of the NPs which in turn increased the total number of particles in the solution. Therefore, from this work, it predicated that inexpensive and compact CW diode lasers can be successfully designed and employed for the fragmentation of NPs in nanofluids.