Es wurde festgestellt, dass Nanofluide (NFs) im Vergleich zu reinen Flüssigkeiten wie organischen Lösungsmitteln oder Wasser verbesserte thermophysikalische Eigenschaften besitzen. Seit der Veröffentlichung der ersten Studie im Jahr 1951 haben sich NFs als vielversprechende Wärmetransportflüssigkeiten mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit in einer Vielzahl von technologischen Anwendungen herausgestellt, z. B. elektronische Kühlung, solare Wasserheizgeräte, Kernreaktoren, Radiatoren. Daher sind die genauen Charakterisierungen der thermophysikalischen Oberflächen- und Masseneigenschaften eines NF unerlässlich, um sie zu kalibrieren und ihre Fähigkeiten vorherzusagen.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Lichtwissenschaft und Anwendungenschlugen Forscher des Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine vielseitige optische Technik vor, die auf Pump-Anregungs-Probe-Interferometrie basiert, um die thermophysikalischen Eigenschaften von Nanofluiden und biologischen Flüssigkeiten auf kontaktlose Weise zu charakterisieren, und adressieren Sie so die Herausforderungen für die thermokapillare Verformung, die ihre Anwendung einschränken.
Verschiedene Verfahren wurden verwendet, um die thermophysikalischen Eigenschaften von NF zu untersuchen und Charakterisierungen von NF bereitzustellen. Thermokapillare Verformung, die durch lokalisierte Lasererwärmung induziert wird, wurde verwendet, um die Temperaturleitfähigkeit zu messen und die organischen Verunreinigungen in Wasser zu überwachen.
Aufgrund der direkten Laser-Fluid-Wechselwirkung hat die thermokapillare Verformung jedoch zwei herausragende Herausforderungen, die ihre praktische Anwendung einschränken. Zum einen funktioniert es nur bei reinen Flüssigkeiten, denn bei Nano- und Biofluiden ergibt sich ein komplexes Zusammenspiel von Strahlung, Thermokapillarität und Streukräften, das zu einer ungenauen Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften führen kann. Die zweite Herausforderung besteht darin, dass die thermokapillare Verformung nicht für Anwendungen funktioniert, bei denen der Pumplaser zu einer Beschädigung des Biofluids führen kann, und für Systeme, bei denen das Fluid in einer geschlossenen Oberfläche eingeschlossen ist.
In ihrer Studie veranschaulichte das CIOMP-Team drei sehr unterschiedliche Konfigurationen. Sie erhitzten den NF von unten durch ein undurchsichtiges Substrat und lieferten die ersten maßstabsgetreuen Messungen der thermophysikalischen Eigenschaften (Viskosität, Oberflächenspannungskoeffizient und Diffusionsvermögen) von komplexem NF und Bioflüssigkeit ohne Beschädigung und konkurrierende Kräfte.
Die Forscher beleuchteten die Flüssigkeit auch von ihrer freien Oberfläche (Belichtung von oben für abgelagerte Tropfen) und zeigten eine genaue Charakterisierung von NF, indem sie die konkurrierenden Kräfte quantitativ isolierten, wobei sie sich die unterschiedlichen Zeitskalen dieser Kräfte zunutze machten.
In der dritten Konfiguration untersuchte das Team die thermophysikalischen Eigenschaften von NFs, wenn sie in einem Metallhohlraum eingeschlossen waren. In diesem Fall liefert die transiente thermoelastische Verformung der Metalloberfläche die Eigenschaften von NF sowie thermomechanische Eigenschaften des Metalls.
„In Anbetracht dieser Vielseitigkeit funktioniert unsere Technik für nahezu alle Flüssigkeiten und kann daher auf eine Vielzahl von Anwendungsszenarien zur präzisen In-situ-Charakterisierung der thermophysikalischen Eigenschaften komplexer Flüssigkeiten im kleinen Maßstab angewendet werden“, sagte Gopal Verma, leitender Forscher von die Studie von CIOMP.
Gopal Verma et al, Eine vielseitige interferometrische Technik zur Untersuchung der thermophysikalischen Eigenschaften komplexer Flüssigkeiten, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-00796-7