نانو سیالات

نانو سیال عبارت است از سیال حاوی نانو ذرات . باپیدایش و رشد سریع علم و تهیه و تولید ذرات بسیار ریز با ابعاد نانومتری دانشمندان با افزودن این ذرات نانوئي به سیالات متداول انتقال حرارت محیط جدیدی را برای انتقال حرارت فراهم کرده و آنرا نانو سیال نام نهادند.

گزارشات علمی منتشر شده موید این مطلب است که با افزودن نانو ذرات به یک سیال میزان هدایت حرارتی سیال حاصل نسبت به سیال پایه به دلیل وجود حرکت براونی ذرات افزایش قابل توجهی پیدا کرده و علاوه بر آن میزان انتقال حرارت جابجایی نیز رشد چشمگیری پیدا می کند.

گروهی دیگر نانو سیالات را این طور تعریف می کنند نسل جدید از سیالات که قادر به انتقال حرارت می باشند، نانو سیال نامیده می شوند. نانو سیالات به وسیله پخش و منتشر کردن ذرات در اندازه های نانو متری در سیالات متداول منتقل کننده گرما، به منظور افزایش هدایت گرمایی و بهبود عملکرد انتقال حرارت، ساخته می شوند. نتایج آزمایش هایی که در رابطه با نحوه انتقال حرارت بر روی چندین نمونه سیال انجام شد، نشان می دهد که عملکرد نانو سیالات در انتقال حرارت عموما بیشتر از آن چیزی است که به صورت نظری پیش بینی شده است. این واقعیت یک کشف اساسی در مسئله انتقال حرارت می باشد.

از نانو سیالات می توان به منظور توسعه سیستم های کنترل حرارت در بسیاری از جمله وسایل نقلیه سنگین استفاده نمود. کنترل حرارت یکی از عوامل کلیدی در فناوری های مربوط به محصولاتی مانند پیل سوختی و وسایل نقلیه دو گانه سوز- الکتریکی می باشد که بیشتر آنها تحت دماهای عمدتا کمتر از دمای موتورهای احتراقی داخلی متداول، عمل می کنند.

بنابراین نیاز مبرمی به توسعه سیالات انتقال دهنده حرارت با هدایت گرمایی خیلی بالا و نیز انتقال این فناوری به صنایع از جمله صنعت خودرو وجود دارد.

اخیرا پژوهش هایی در مورد نانو سیالات فلزی حاوی نانو ذرات مس با قطر کمتر از 10 نانو متر که در اتیلن گلیکول پخش شده بودند انجام شده است. این پژوهش ها نشان میدهد که جزء حجمی بسیار اندکی از نانو ذرات، رسانایی گرمایی میتواند بیشتر از قابلیت رسانایی صرف خود سیال و یا نانو سیالات اکسیدی (مانند اکسید مس  واکسید آلومینیوم با قطر متوسط ذرات 35 نانومتر) باشد. به علت اینکه تاکنون هیچکدام از نظریه های معمول اثرات ناشی از قطر ذرات و یا هدایت آنها بر روی میزان هدایت نانو سیالات را پیش بینی نکرده اند این نتایج غیر منتظره است.

اخیرا نانو سیالاتی حاوی نانو لوله های کربنی ساخته شده اند و نتایج آزمایش های انجام شده بر روی این نانو سیالات نشان داده است که وجود نانو لوله ها در یک سیال، هدایت گرمایی آن را به طور چشمگیری افزایش می دهد. جالب تر آنکه افزایش هدایت گرمایی مربوط به نانو لوله یک گام از پیش بینی های انجام شده بر حسب حجم های جزيی، به صورت غیر خطی می باشد حال آنکه تئوری های رایج به وضوح وجود یک نسبت خطی را میان این دو پارامتر نشان داده بودند.

از ویژگی های کلیدی نانو سیالات که تاکنون کشف شده اند می توان هدایت های گرمایی بسیار بالاتری از آنچه که سوسپانسیون های مرسوم از خود نشان داده بودند، وجود نسبت غیر خطی میان هدایت گرمایی و غلظت نانولوله های کربنی در نانو سیالات و نیز وابستگی شدید هدایت گرمایی به دما و افزایش چشمگیر در شار حرارتی بحرانی را نام برد. هر کدام از این ویژگی ها در جای خود برای سیستم های حرارتی بسیار مطلوب می باشند و در کنار هم،‌نانو سیالات را بهترین کاندیدا برای تولید سرد کننده های مبتنی بر مایع می نمایند. این یافته ها همچنین وجود محدودیت های اساسی در مدل های انتقال گرمایی متداول برای سوسپانسیون های جامد/ مایع را به وضوح نشان می دهد .

از جمله عوامل انتقال حرارت در نانو سیالات، عبارتند از: حرکت نانو ذرات، سطح مولکولی لایه ای مایع در سطح مشترک مایع با ذرات، انتقال حرارت پرتابه ای در نانو ذرات و تاثیر خوشه ایی شدن نانو ذرات از جمله عوامل انتقال حرارت در نانو سیالات می باشند.

یک پروژه جدید با هدف کشف پارامترهای کلیدی، که در تئوری های موجود و مفاهیم بنیادی مکانیزم های افزایش انتقال حرارت نانو سیالات از قلم افتاده اند، و نیز کشف مبنای تئوری برای افزایش غیر عادی هدایت گرمایی نانو سیالات در جولای سال 2000 با حمایت وزارت انرژی آمریکا و مرکز انرژی علوم پایه به تصویب رسید.

ساختار نانو ذرات در نانو سیالات در حال بررسی و آزمایش به وسیله منبع فوتونی پیشرفته آزمایشگاه ملی آرگون می باشد. بر طبق نتایج گزارش شده از دانشگاه M&A تگزاس، این دانشگاه در حال مطالعه بر روی ارتباط بین جنبش نانو ذرات و افزایش انتقال حرارت در آنها می باشد. با استفاده از نتایج جمع آوری شده، توسعه یک مدل جدید انتقل انرژی در نانو سیالات که وابسته به اندازه نانو ذره، ساختار و تاثیر پویایی بر روی خصوصیات حرارتی نانو سیالات می باشد، امکان پذیر شده است.

این نحوه ارتباط رشته ای مختلف علمی و پروژه های مشترک منجر به کشف مرزهای جدیدی در تحقیقات ترمو فیزیک برای طراحی و مهندسی در زمینه تولید خنک کننده ها خواهد گردید. تحقیق در مورد نانو سیالات می تواند به یک پیشرفت غیر منتظره در زمینه سیستم های ترکیبی مایع/جامد، برای کاربرد های بی شمار مهندسی از جمله خنک کننده های اتومبیل ها و کامیون های سنگین می انجامد.

از عمده ترین تاثیرات این تحقیقات می توان به بیشتر شدن کارایی انرژی،‌کوچک تر و سبک تر شدن سیستم های حرارتی، کمتر شدن هزینه عملیاتی و پاک سازی محیط زیست اشاره نمود.