Caratterizzazione di nanofluidi mediante analisi multifrattale di una traccia di goccioline liquide

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11111 (2022) Citare questo articolo

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L'articolo presenta un approccio innovativo all'analisi dei nanofluidi utilizzando un algoritmo multifrattale non lineare. La ricerca condotta ha riguardato nanofluidi preparati da nanoparticelle di SiO2 (~ 0,01 g) sospese in 100 ml di acqua demineralizzata e in 100 ml di isopropanolo al 99,5%. Successivamente, i nanofluidi sono stati sottoposti a metodi di caratterizzazione convenzionali quali: determinazione dell'angolo di contatto, determinazione del potenziale zeta, pH e analisi della dimensione delle particelle. I risultati ottenuti mostrano che il nanofluido preparato è stabile in termini di agglomerazione nel tempo (sospensione di nanofluido) e adeguatamente preparato in termini di dissoluzione e dispersione delle particelle di polvere. Gli autori, analizzando i risultati dei metodi presentati per la caratterizzazione dei nanofluidi, hanno proposto un'analisi multifrattale, che consente descrizioni locali dettagliate del comportamento di scaling complesso, utilizzando uno spettro di esponenti di singolarità. Le analisi non lineari mostrano che l'uso dell'algoritmo multifrattale per i nanofluidi può migliorare il processo di analisi della qualità del fluido e la sua preparazione basata sullo spettro multifrattale.

La meccanica dei fluidi svolge un ruolo estremamente importante in molti settori dell’industria, della vita e della scienza. Una sfida seria che il mondo attuale si trova ad affrontare è il miglioramento della qualità dei fluidi, con il risultato di creare nanofluidi, ovvero fluidi con nanoparticelle sospese. I nanofluidi, caratterizzati da un aumento significativo delle proprietà del fluido, tra cui conduttività termica, stabilità a lungo termine, omogeneità, ecc. rispetto ai fluidi ingegnerizzati convenzionali1, si sono rivelati utili in numerose applicazioni ingegneristiche, ad esempio mezzi porosi2,3 , ecc. Tuttavia, il processo di preparazione di questo tipo di fluido può essere impegnativo (l'agglomerazione è un grosso problema nella sintesi dei nanofluidi4) e ancor più lo è il processo che consente di verificare la qualità del nanofluido ottenuto. I metodi principali con cui vengono prodotti i nanofluidi sono il metodo a due fasi o a una fase. Il metodo one-step è un processo che combina la produzione di nanoparticelle con la sintesi di nanofluidi. Le nanoparticelle sono prodotte con metodo diretto mediante la tecnica di deposizione fisica in fase di vapore (PVD) o nanoparticelle di condensazione dalla fase vapore in un liquido che scorre a bassa pressione di vapore (VEROS) vedere5. Il lavoro6 è dedicato allo sviluppo del metodo Direct Evaporation Condensation che fornisce un eccellente controllo sulla dimensione delle nanoparticelle e produce un nanofluido stabile senza l'uso di alcun additivo. Il metodo in due fasi è il metodo più utilizzato per la produzione di nanofluidi. Consiste nell'acquisizione anticipata di nanoparticelle con altri metodi e, nella seconda fase, la nanopolvere viene distribuita nel liquido utilizzando vari metodi, tra cui agitazione con forza magnetica7,8,9, agitazione ad ultrasuoni, miscelazione ad alto taglio, omogeneizzazione10 e palla fresatura.

La stabilità dei nanofluidi è molto importante per ragioni pratiche. Il potenziale impatto economico e sociale è legato al ruolo delle nanoparticelle come modificatori speciali di fluidi con una gamma potenzialmente molto ampia di applicazioni (trasferimento di calore: raffreddamento del motore/gestione termica del veicolo, riduzione della temperatura dei gas di scarico delle caldaie, scambiatore di calore, microelettronica, ecc.). Nelle applicazioni di trasferimento di calore, il coefficiente di diffusione delle particelle è direttamente proporzionale alla temperatura del fluido. Un elevato coefficiente di diffusione significa più collisioni di particelle e una maggiore possibilità di aggregazione delle particelle. Le applicazioni ad alta temperatura richiedono ulteriore attenzione per sopprimere l'instabilità dei nanofluidi. Nei sistemi di somministrazione dei farmaci, la sedimentazione o l'aggregazione indesiderata delle particelle può influenzare il flusso dei nanofluidi attraverso il canale. La stabilità dei nanofluidi dipende fortemente dalle proprietà delle particelle sospese e del fluido base, come la morfologia delle particelle, la struttura chimica delle particelle e il fluido alcalino11. Un altro parametro chiave per ottenere nonfluidi stabili è il controllo del pH, come menzionato in 12,13.