Fotothermisch effect van modulerende laserbestraling op de thermische diffusie van Al2O3-nanovloeistoffen

Achtergrond

Metaaloxide-nanovloeistoffen hebben veel aandacht getrokken vanwege hun verbeterde thermische eigenschappen, waardoor ze een specifieke rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van warmteoverdrachtapparatuur. Het is bekend dat nanovloeistoffen van metaaloxiden verbeterde thermofysische eigenschappen bezitten, zoals thermische diffusie, thermische geleidbaarheid en convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënten in vergelijking met die van basisvloeistoffen zoals olie of water. Al₂ O₃ is een interessant oxide, als materiaal voor het verbeteren van de warmteoverdracht, vanwege zijn hoge thermische geleidbaarheid. De thermische geleidbaarheid van nanovloeistoffen fungeert als belangrijke eigenschappen bij de ontwikkeling van energie-efficiënte warmteoverdrachtapparatuur, die voornamelijk wordt gebruikt op industrieel gebied zoals auto's, elektronische apparatuur en medische toepassingen. De thermische eigenschappen van nanovloeistoffen zijn gevoelig voor de grootte en vorm van de nanodeeltjes (NP's) en hun basisvloeistoffen [1,2,3,4,5]. Dit vormt een probleem omdat NP's de neiging hebben om snel te aggregeren en een afname van de thermische eigenschappen van de nanovloeistoffen veroorzaken [6,7,8]. Onlangs zijn lasergeproduceerde nanodeeltjesmethoden gebruikt om NP's rechtstreeks in de basisvloeistoffen te modificeren en te genereren [8,9,10] voor gebruik in chemische, optische en thermische engineering, fototherapie, katalyse en warmteoverdracht. De grootte en spreiding ervan kan worden geregeld door de laserparameters te variëren, zoals de lasergolflengte, pulsduur, aantal laserpulsen en pulsenergie [11, 12]. In het algemeen veroorzaakte de interactie tussen de laser en de deeltjes niet alleen fotothermische ablatie, maar genereerde ook thermische golven (TW's) rond de nanostructuren en hun omringende medium, wat leidde tot een verkleining van de deeltjes of de vorming van NP's met een specifieke maatverdeling. Studies naar de optische fabricage van NP's door laserbestraling toonden aan dat de laserablatie van vaste doelen [12,13,14,15] en fragmentatie van gesuspendeerde microkristallijne poeders [16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26] kan worden gebruikt door krachtige gepulseerde lasers of CW-laserbronnen met een laag vermogen te gebruiken. Gepulseerde lasers zijn in veel onderzoeken gebruikt voor de laserablatie van vaste doelen in vloeistoffen. Hoewel laserbestraling een nuttige techniek is om de vorming van NP's in nanovloeistoffen te ondersteunen, is de efficiëntie van het laserbestralingsproces behoorlijk gevoelig voor de pulsduur. In het geval van gepulseerde laserbestraling werden de NP-grootte en -verdeling echter significant beïnvloed door het aantal en de bestralingstijden van de laserpulsen. Dit houdt in dat het nog steeds moeilijk was om meer deeltjesproductie te bereiken met controle over de grootteverdelingen van de geproduceerde nanoclusters. In de afgelopen jaren zijn CW-lasers in verschillende onderzoeken gebruikt voor de fabricage van NP's [27,28,29,30]. Het gebruik van CW-laserbronnen heeft verschillende voordelen ten opzichte van andere optische bronnen, aangezien ze over het algemeen goedkoper en kleiner zijn en een meer draagbare opstelling hebben die mogelijk kan worden gecombineerd met andere apparaten, vooral als fotothermische therapiebron voor medische toepassingen en het omvormen en vervaardigen van nanomaterialen [30, 31]. Onlangs zijn er veel experimentele en theoretische onderzoeken uitgevoerd om het mechanisme van laserbestraling te begrijpen [24, 31,32,33,34,35,36]. Op basis van berekeningen en experimentele bevestigingen kan de laserablatie en fragmentatie van NP's worden aangestuurd door het fotothermische (PT) effect [37,38,39,40,41]. Het PT-effect zorgt voor de optimalisatie en monitoring van de efficiëntie van de laserbestraling met verschillende optische bronnen in verschillende experimentele ontwerpen [42,43,44,45,46,47,48,49]. Gemoduleerde CW-laser wordt over het algemeen gebruikt in toepassingen met het PT-effect. Het kan een goede PT-lichtbron zijn bij een optimale modulatiefrequentie. Er kan een toename van de efficiëntie van de thermische golven en de signaal-ruisverhouding (S/N) worden waargenomen, waardoor het meer geschikt is voor het fragmentatieproces van NP's. Bovendien kan een zorgvuldige optimalisatie van de experimentele omstandigheden controle krijgen over de grootteverdelingen van de geproduceerde nanoclusters en thermische eigenschappen van nanovloeistoffen. Er bestaat echter geen gedetailleerde studie in de literatuur naar het PT-effect van modulerende CW-laser op de vorming en grootte van NP's en hun thermische eigenschappen.

In het artikel werd een CW-diodelaser gebruikt voor de fragmentatie van geclusterd Al₂ O₃ deeltjes om de thermische diffusie van de nanovloeistoffen te verbeteren, onder verschillende bestralingstijden. De basis van de thermische golfopwekking van de gemoduleerde CW-laserstraal werd kort samengevat en het effect van de gemoduleerde straalfrequentie en fysieke parameters werden besproken. De resultaten van het laserfragmentatieproces werden geanalyseerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en dynamische lichtverstrooiing (DLS) analyse. Ten slotte werd het effect van laserbehandeling op de thermische diffusie van de nanovloeistoffen onderzocht. De fotopyro-elektrische (PPE) techniek werd gebruikt als een geldige methode voor het meten van de thermische diffusie van de nanovloeistoffen met zeer hoge precisie en resolutie.

Thermische golfgeneratie van de gemoduleerde laserstraal

In de CW-gemoduleerde laser veroorzaakt de absorptie van de gemoduleerde invallende lichtbundel een thermisch golfveld, dat het resultaat is van de periodieke temperatuurverdeling op het oppervlak [50]. In het geval van modulatie met verschillende frequenties, wanneer het oppervlak van een absorberend materiaal wordt bestraald met een gemoduleerde optische straling op frequentie f , waarbij flux de bronintensiteit is en de gemoduleerde hoekfrequentie van het invallende licht, zal de absorptie van de gemoduleerde invallende lichtbundel resulteren in het genereren van thermische golven op het monsteroppervlak. Figuur 1 is een schematische illustratie van de verschijnselen die het gevolg zijn van de blootstelling van een monsteroppervlak aan een gemoduleerde CW-laserstraal. De akoestische thermische energie die ontstaat door de PT-effecten leidt tot het transport van thermische golven door het monster en het omringende medium.

Fotothermische verschijnselen veroorzaakt door verlichting van een oppervlak door gemoduleerde lichtstraal

In het geval van nanovloeistof met een hoeveelheid vaste deeltjes, diffunderen thermische golven die in de vaste deeltjes worden gegenereerd in beide media, inclusief de andere vaste deeltjes en de aangrenzende vloeistoflaag, in een 3D thermisch golfveld. De thermische golf diffundeert in 3D, als de warmtebron klein is in vergelijking met de laterale afmetingen van het monster; deze thermische diffusievergelijking moet worden opgelost met behulp van cilindrische symmetrie. Op basis van de Fourierreekstheorie is de relatie tussen de temperatuurgradiënt (∇T ) en de geleidingssnelheid (k ) in de richting van de energiestroom (q ) in een materiaal is

, en de differentiaalvergelijking van warmtegeleiding is [50]

De thermische diffusievergelijking in het vaste deeltje, als gedistribueerde warmtebron, is [51]

De thermische diffusievergelijkingen in vloeibaar basismedium kunnen worden geschreven als [51]

De voortplanting van thermische golven in een materiaal hangt af van de thermische diffusie α = (k /ρc ) ^1/2 , waar k geeft de thermische geleidbaarheid aan, ρ de dichtheid, en c de warmtecapaciteit. De thermische golf die T . voortplant (x ,t ) in de eendimensionale benadering kan worden gevonden door de complexe vergelijking op te lossen

waar σ _j = (1 + i )/μ _j is de thermische golfdiffusiecoëfficiënt, μ = (α /πf ) ^1/2 is de thermische diffusielengte bij frequentie f , en α is de thermische diffusie van het vloeibare monster; T _o is de initiële verandering in temperatuur geproduceerd door de bron, en de golf wordt verzwakt met een factor 1/e . Figuur 2a, b toont duidelijk het thermische verval van de amplitude en fase van de thermische golven (Vgl. 5) als functie van de afstand (diepte) vanaf de bron bij x = x ₀ . De snelheid van het steile (exponentiële) amplitudeverval weg van de bron hangt af van de thermische diffusie van het medium; hoe hoger de diffusiviteit, hoe zachter de helling. Een soortgelijk gedrag wordt waargenomen voor de fase. Voor de lage thermische diffusie hebben de geïnduceerde thermische golven een korte thermische golflengte en worden ze onderworpen aan een grote demping. Daarom vindt er geen warmteoverdracht aan het deeltjesoppervlak plaats en begint het PT-effect af te nemen, omdat het belangrijkste kenmerk van thermische golven is dat het sterk vervalt [52, 53]. Deze simulatie toonde aan dat het thermische effect overheerst bij deeltjes met een hoge thermische diffusie en geïnduceerde afpelling van het deeltjesoppervlak. In dit werk wordt water gebruikt als vloeistof met een hogere thermische diffusie dan van de andere vloeistoffen, waardoor een hogere S/N wordt geproduceerd in vergelijking met de laatste.

een Amplitude en b fase van vgl. (5) met thermische diffusie α als een parameter

Methoden

Bereiding van nanovloeistoffen

De nanovloeistoffen werden bereid door 0,05  g Al₂ . te dispergeren O₃ NP's (11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) in 25  ml gedeïoniseerd (DI) water. Eén volumeprocent polyvinylpyrrolidon (PVP) (K25, MW-29000, Aldrich Chemistry) werd toegevoegd om de nanovloeistoffen te stabiliseren; Al₂ O₃ NP's in water hebben een sterke neiging om aggregaten te vormen [54, 55]. De suspensie werd in ongeveer 1 uur geroerd en vervolgens werd het mengsel gedurende 30 min onderworpen aan sondesonicatie (VCX 500, 25 kHz, 500 W) om een ​​homogene deeltjesverdeling te verzekeren. Nadat de suspensie 30 min grondig was gemengd, werd de hydrodynamische grootte van de geagglomereerde deeltjes in de oplossing gevolgd met behulp van DLS.

Laserfragmentatieproces

Het laserfragmentatieproces door een gemoduleerde CW-laserstraal is weergegeven in figuur 3a. De experimentele opstelling voor de CW gemoduleerde laser is een vrij eenvoudig experiment. Een cuvet met 2 ml van de monsteroplossing werd op een roerplaat geplaatst en langs de verticale as bestraald met een CW-diode gepompte vastestoflaser (532 nm, 200  mW, MGL 150 (10)). De laser werd gemoduleerd met behulp van een optische chopper (SR540) met een modulatiefrequentie van 10 Hz, om een ​​redelijk hoge S/N te produceren. De laser was gericht op ongeveer 0,1 mm (2,5 kW/cm ² ) van het oplossingsoppervlak in de kwartskuvet met behulp van een lens met een brandpuntsafstand van 10 cm. Er werd magnetisch geroerd om een ​​homogene deeltjesverdeling te verzekeren. Het proces werd herhaald in 10 en 30 min. Na elk experiment werden de morfologieën van de verkregen colloïdale suspensies geanalyseerd door TEM (H-7100, Hitachi, Tokyo, Japan) en de grootteverdeling van de Al₂ O₃ NP's in oplossing werden bepaald met behulp van de UTHSCSA ImageTool-software (versie 3.0). De hydrodynamische grootte van de geagglomereerde deeltjes in de oplossing werd verkregen uit de DLS-analyse met behulp van de Nanophox Analyzer (Sympatec GmbH, D-38678) en er werd een gemiddelde genomen van ten minste vier metingen.

een Blokdiagram van experimentele opstelling gebruikt bij fragmentatie van deeltjes door een gemoduleerde CW-laserstraal en b schematische weergave van de fotopyro-elektrische (PPE) configuratie detectiecel voor thermische diffusiemeting

Thermische diffusiemetingen

De details van de experimentele opstelling voor thermische diffusiemetingen in vloeistofmonsters zijn elders te vinden [56]. Het is aangetoond dat de PPE-techniek een nuttige methode is om thermische eigenschappen van verschillende soorten vloeistoffen te analyseren, met zeer hoge precisie en resolutie [51,52,53, 56,57,58,59]. Het voordeel van deze techniek is dat we een klein beperkt volume hebben gebruikt in combinatie met een korte meettijd [56,57,58,59]. PPE-techniek werd gebruikt om de thermische diffusie van de Al₂ . te meten O₃ nanovloeistoffen. Figuur 3b toont de PE-signaalgeneratiekamer of cel die wordt gebruikt in de PPE-techniek. De cel bevatte een koperfolie (dikte van 50 m) die werkte als een PE-generator en een film van 52 μm polyvinylideendifluoride (PVDF) (MSI DT1-028 K/L) werkte als een PE-detector, en het nanovloeistofmonster werd hierin geplaatst. holte. Omdat PVDF-film zeer flexibel is, werd deze met siliconenlijm op perspex-substraat bevestigd. Het oppervlak van de koperfolie was bedekt met een zeer dunne laag koolstofroet om als een efficiënte licht-naar-warmte-omzetter te dienen. De intensiteit van een diodelaser (532 nm, 200  mW) werd gemoduleerd door de optische chopper (SR540) vóór belichting op koperfolie. In de cel plant de thermische golf zich voort over de vloeistof en bereikt de PE-detector, die een PE-signaal genereert dat evenredig is met de intensiteit van de thermische golf. Het PE-signaal gegenereerd door de PVDF-detector werd geanalyseerd met behulp van een lock-in-versterker (SR.530) om PE-amplitude- en fasesignalen te produceren. Om trillingen en mogelijke bijdragen van de PVDF-sensor te voorkomen, werd de onderkant aan de achterkant bevestigd aan een perspex-container. Het experiment werd gedaan voor de holtescan. De frequentie bij 6,7 Hz werd gekozen voor een thermisch dik regime voor een redelijk hoge signaalamplitude in het systeem. De metingen zijn uitgevoerd bij kamertemperatuur (ongeveer 22 °C). Metingen werden vijf keer herhaald voor een bepaald monster en de gemiddelde thermische diffusiewaarde werd genomen. De LabVIEW-software, geïnstalleerd op de pc, werd gebruikt om het PE-signaal te vangen en de gegevens werden geanalyseerd met Origin 8. Het temperatuurveld van het experimentele systeem kan worden berekend volgens de geleidingstheorie van de thermische golfholte [57]. Het PE-signaal gedetecteerd door de PVDF-sensor, het PE-signaal (V ), wordt bepaald door de afstand tussen de holtes en de thermische diffusiviteit van het monster:

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

waar A = (πf /α ) ^1/2 om deze uitdrukking te verkrijgen, V(f .) , l) is het complexe PE-signaal, V _o en φ zijn de amplitude en fase van het PE-signaal, f is de modulatiefrequentie, en α is de thermische diffusie van het monster. Van de hellingaanpassingsparameter A = (πf /α ) ^1/2 van fase en ln(amplitude) als functie van de holtescan, kan de thermische diffusie van vloeistof worden berekend [58].

Resultaten en discussie

Thermische golfverbetering

Er zijn enkele belangrijke parameters waarmee rekening moet worden gehouden om een ​​sterke thermische golfamplitude te genereren:

1. een.

   Modulatiefrequentie van de modulatielamp

Van verg. (5), moet er een optimale modulatiefrequentie zijn om de thermische golfamplitude te maximaliseren. In tegenstelling tot andere golven worden thermische golven zeer sterk gedempt met een vervalconstante die gelijk is aan de thermische diffusielengte van het voortplantingsmedium [52]. De thermische golven die niet dieper dan de thermische diffusielengte in het materiaal komen, dragen bij aan de warmtevoortplanting [53]. De thermische golven worden gereflecteerd en uitgezonden op het grensvlak en de amplitude van de thermische golven wordt verzwakt binnen één thermische diffusielengte van het monster. Met toenemende modulatiefrequentie volgens Vgl. (5), de thermische diffusielengte neemt af en alleen licht dat in de oppervlaktelaag wordt geabsorbeerd, draagt ​​bij aan het signaal, terwijl de thermische golven zich diep in een vaste stof zullen voortplanten als het materiaal een hoge thermische diffusie heeft of als de thermische golffrequentie laag is. In het experiment moet men zorgvuldig de modulatiefrequentie kiezen om een ​​scherpe resonantiepiek (eigenlijk een dal) te krijgen. De modulatiefrequentie wordt gekozen in het ruimtelijke bereik. Als de frequentie te laag is, is het signaal sterk, maar de piek is te vlak om het maximum precies te kunnen bepalen. Terwijl als de frequentie te hoog is, de piek behoorlijk scherp is, maar de signaal-ruisverhouding (S/N) wordt aangetast, wat het identificeren van de piekpositie moeilijk maakt.

Figuur 4 toont het gesimuleerde reële (in-fase) deel van het PE-signaal als functie van de holtelengte van water, met een verschillende frequentie van 7 Hz tot 100 Hz. Het is te zien dat de S / N-verhouding hoger was voor lagere frequenties, 7 Hz, terwijl de piek te vlak was voor een nauwkeurige bepaling van het maximum (figuur 4a). De piek was echter behoorlijk scherp bij hogere frequenties, 100 Hz, (figuur 4d), met een kleiner uitgangssignaal, wat de identificatie van de piekpositie moeilijk maakte [52]. Er werd experimenteel gevonden dat met 10 Hz als werkfrequentie de S/N-verhouding goed was in een reeks frequenties en een bevredigende signaalamplitude in het systeem had.

1. b.

   Optische absorptie van de nanovloeistoffen

Het echte (in-fase) deel van PE-signaal versus relatieve holtelengte voor water op verschillende frequenties:a 7 Hz, b 20 Hz, c 50 uur, en d 100 Hz, thermische diffusie van water (α _w ,=0,00145 cm ² .s ⁻¹ )

Elk deeltje is een lichtverstrooiend en absorberend lichtobject. De geabsorbeerde energie kan worden omgezet in warmte en de som van de lichtabsorptie van de deeltjes is thermische uitdoving. De thermische golfamplitude kan worden vergroot door de optische absorptie [52, 59] in de nanovloeistoffen te vergroten. Deeltjesgrootte, vorm en volumefractie, evenals de afwisseling van de basisvloeistoffen, hebben een groot effect op de optische absorptie van de nanovloeistoffen. De Al₂ O₃ /water nanovloeistof had een gunstige optische absorptie. De optische energie-absorberende 13% van het water nam toe met Al₂ O₃ NP's in de basisvloeistof en werd verder versterkt wanneer de concentratie van de NP's toenam. Met een hoge concentratie NP's werd het invallende licht van elk deeltje geabsorbeerd in een dunne oppervlaktelaag.

1. c.

   Specifieke warmtecapaciteit van de nanovloeistoffen

Fabricage van kleine deeltjesgrootte Al₂ O₃ in oplossing door gebruik te maken van een gemoduleerde CW-laserfragmentatie kan de warmteopslag van de nanovloeistof vergroten, vanwege het feit dat de specifieke warmtecapaciteit van basisvloeistof afnam met afnemende deeltjesgrootte en toenemende hoeveelheid NP's, vanwege het vergroten van het oppervlak -volumeverhouding van de deeltjes [6]. Daarom maakte de kleinere specifieke warmtecapaciteit van de nanovloeistof thermische golfamplitude mogelijk als gevolg van verbeterde temperatuurstijging en warmteoverdracht.

1. d.

   Thermische diffusie van de nanovloeistoffen

Warmte wordt overgedragen van de vaste deeltjes naar het omringende medium, gevolgd door thermische golfexpansie, waarbij de amplitude van de thermische golven (TW's) een sterke functie is van de thermische diffusie. Zoals getoond in Fig. 2, heeft een grotere thermische diffusie gewoonlijk de voorkeur voor grotere thermische diffusielengtes en neemt de thermische golfamplitude onder het oppervlak langzaam af. Daarom is de grote thermische diffusie van de basisvloeistof cruciaal voor een effectieve warmteoverdracht van de vaste deeltjes naar de vloeistof, waardoor de generatie van thermische golven wordt gemaximaliseerd. In dit werk wordt water met een hoge thermische diffusie (0,00145 cm ² /s) was een goede basisvloeistof voor het efficiënt genereren van thermische golven. De thermische diffusie van water nam toe met een toenemend aantal NP's, als gevolg van toenemende Brownse bewegingen [56]. De hogere thermische diffusie en kleinere soortelijke warmte van de Al₂ O₃ nanovloeistof in vergelijking met water maakte het mogelijk een uitstekende thermische golfgenerator te zijn.

Experimentele resultaten

Laserfragmentatie van de Al₂ O₃ Nanodeeltjes

De TEM-afbeeldingen die de gemiddelde grootte en grootteverdeling van de Al₂ . tonen O₃ NP's in gedeïoniseerd water / PVP-oplossing voor en na 10 min en 30  min bestraling worden getoond in Fig. 6. Het is te zien dat het verzamelde materiaal was samengesteld uit clusters van bijna bolvormige deeltjes, gedispergeerd in een zeer poreus materiaal. Er werd enige agglomeratie met een diameter van ongeveer 100 nm waargenomen en de gemiddelde grootte van de Al₂ O₃ NP's waren ongeveer 16, 4 ± 7, 8 nm (figuur 5a). Het bereik van het poreuze materiaal was verminderd en de gemiddelde deeltjesgrootte bleek 14,2 ±   5,4 nm te zijn na 10  min bestraling (figuur 5b). Figuur 5c toonde aan dat de Al₂ O₃ NP's waren bijna uniform verdeeld en smal (12,03 ± 3,5 nm) na 30 min bestraling als gevolg van de absorptie van laserenergie die leidde tot de fragmentatie van de deeltjes [25]. De fragmentatiesnelheid van de deeltjes nam echter af toen de NP's hun kritische grootte bereikten na 30 min bestraling. Het verhogen van het totale aantal deeltjes resulteerde in een toename van de NP's-concentratie en de agglomeratie van deze kleine deeltjes, waardoor de lichtabsorptie van deeltjes in oplossing werd verminderd. Uit de verkregen gegevens bleek dat het effect van laserbestraling op de distributiegrootte groter was dan op de grootte van deeltjes [11].

De TEM-afbeeldingen en de relatieve groottehistogrammen van de Al₂ O₃ -NP's a voor (16,4 ± 7,8 nm) en na laserbestraling, bij b 10 min (14,2 ± 5,4 nm), en bij c 30 min (12.03 ± 3.5 nm), respectievelijk

De hydrodynamische diameter van de Al₂ O₃ deeltjes in de nanovloeistoffen kunnen informatie geven over de stabiliteit van de nanovloeistoffen. Figuur 6 toont de distributiedichtheidsfunctie van de NP's in de suspensie (a) zonder en met bestraling na (b) 10 min en (c) 30 min. De zwaartekracht van de dichtheidskromme geeft de gemiddelde boldiameter. Bovendien werd een smalle hydrodynamische grootte van de deeltjes verkregen bij laserblootstelling na 10 en 30 min (b en c), terwijl de deeltjes vóór bestraling een wijdverspreid grensvlak hadden wat wijst op een grotere mate van polydispersiteit (figuur 6a). De verkregen gegevens toonden aan dat een scherpere verdelingscurve van de zeer homogene deeltjes werd verkregen na laserbestraling. Dit kan te wijten zijn aan de fragmentatie van de deeltjes na laserbestraling. Langere laserbestralingstijden resulteerden in een hogere fragmentatie van de deeltjes en dus een hoger aantal deeltjes in oplossing met een scherpe verdeling. Er werd waargenomen dat de neiging tot agglomeratie toenam met een toename van het aantal kleinere deeltjes in het water [7, 54, 55]. Figuur 6d toont de hydrodynamische diameterverdeling van de Al₂ O₃ deeltjes in de nanovloeistoffen met een diameter van respectievelijk 87,7 ± 14,59 nm en 90,97 ± 9.21 nm en 91,57±2.61 nm voor en na 10 en 30 min bestraling. Het bleek dat de grootteverdeling van de deeltjes afnam van ~-15 tot ~-3 nm, wanneer de bestralingstijden toenam van respectievelijk 0 tot 30 min. De fragmentatie van de agglomeraten vond plaats via een directe absorptie van de laser met als eindresultaat deeltjes die bijna uniform waren in grootteverdeling, zoals blijkt uit de Nanophox- en TEM-gegevens. De verkregen gegevens toonden aan dat het effect van laserbestraling op de verdelingsgrootte groter was dan dat op de grootte van deeltjes. De hydrodynamische grootte van de NP's verkregen uit de Nanophox-analysator was echter altijd groter dan de grootte van de droge deeltjes verkregen uit TEM, aangezien de hydrodynamische gemiddelde diameter de grootte is van geagglomereerde deeltjes in oplossing. De hier waargenomen scherpe effecten op de verdeling en verkleining zijn beschreven in de literatuur [7,8,9,10, 16,17,18,19,20,21,22,23].

De distributiedichtheid bepaald met behulp van de Nanophox-analysator van Al₂ O₃ deeltjes in de suspensies a zonder, met bestraling na b 10 min en c 30 min, en d hydrodynamische diameterverdeling van NP's in nanovloeistoffen als functie van bestralingstijden

Thermische diffusiemetingen

Om het effect van laserbestraling op de thermische diffusie van de nanovloeistoffen te meten, werd de experimentele opstelling eerst gekalibreerd met gedestilleerd water als standaardvloeistof. De thermische diffusie werd gemeten door het PE-signaal van de ln (amplitude) (vergelijking (7)) en fase (vergelijking (8)) te vergelijken met de lengte van de holte. Het gemiddelde voor gedestilleerd water was (1.4460.011) × 10 ⁻³ cm ² /s, die < 1% afweek van de literatuur [56]. Figuur 7 toont de lineaire grafieken van logaritmische amplitude versus de holtelengte van de Al₂ O₃ nanovloeistoffen bij verschillende laserbestralingstijd van 0 tot 30 min als functie van de relatieve lengte van de holte. De hellingen van het PE-signaal (ln (amplitude), fase en gemiddelde) en de resulterende thermische diffusiewaarden gemeten in het huidige werk zijn samengevat in tabel 1.

Typische logaritmische amplitude als functie van de relatieve holtelengte van Al₂ O₃ nanovloeistoffen bij verschillende bestralingstijd [0, 10 en 30 min]

De thermische diffusie liet een verbetering zien in vergelijking met de basisvloeistof. Voor de nanovloeistof zonder bestraling was de thermische diffusie echter (1,444 ± 0,008) × 10 ⁻³ cm ² /s, wat lager was dan de basisvloeistof. Dit kan te wijten zijn aan de lage thermische diffusie van PVP in de nanovloeistoffen. De thermische diffusie nam geleidelijk toe met ongeveer 3-6% na laserbestraling, wat werd gedefinieerd als een verouderingseffect [56, 57]. De toename van de thermische diffusie met langere bestralingstijd was een gevolg van de afname van de clusters en agglomeraatgroottes, als gevolg van de fragmentatie van de grotere NP's [7,8,9,10]. Over het algemeen nam de dichtheid van het aantal deeltjes of volumefracties van de deeltjes toe en het was duidelijk dat de vermindering van de deeltjesgrootte de mengeffecten op nanoschaal, zoals Brownse bewegingen, verhoogde [56]. Daarom zou dit kunnen helpen om de thermische diffusie van de nanovloeistoffen te verbeteren. De toename van het aantal deeltjes in de oplossing had echter invloed op de snelheid van laserfragmentatie, vanwege de verzwakking van laserlicht in de vloeistof bij hoge concentraties.

In principe is de interactie tussen de CW-laserstraal (in ons experiment 10 ³ W/cm ² ) en de Al₂ O₃ clusters wordt beheerst door thermische effecten die afhankelijk zijn van de kenmerken van de laserstraling en de aard van het deeltje. Daarom is er veel onderzoek gedaan naar het verkleinen van de deeltjesgrootte met behulp van verschillende nanoseconde (ns) en femtoseconde (fs) lasers die met verschillende pulsduur werken [13,14,15,16,17,18,19, 21, 25, 26,27]. Toevallig werd exact hetzelfde resultaat verkregen door onze experimenten. Als gevolg van de nanovloeistoffen, in de laserbestraling, had de tijd vooral invloed op de deeltjes in plaats van op hun grootte. Dit was waarschijnlijk vanwege het effect van de laserbestraling op de fragmentatie van de geagglomereerde deeltjes naar de kleinere NP's, waardoor de homogene deeltjesverdeling van de Al₂ toeneemt. O₃ nanovloeistoffen. 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].

Conclusies

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 O₃ particles and enhancing the thermal diffusivity of the Al₂ O₃ nanofluids. Modulated CW laser technique shows an enormous promise for accurate characterization of the particle size distribution of Al₂ O₃ nanofluids. 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 O₃ 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.

Nomenclature

• Ik _o Source intensity

• ω Angular frequency of modulated light

• f Modulation Frequency

• ∇T Temperature gradient

• q Energy flow

• e thermal wave diffusion coefficient

• φ phase of PE signal

• μ Thermal Diffusion Length

• k Thermal Conductivity

• α Thermal Diffusivity

Afkortingen

3-D:

Driedimensionaal

CW:

Continue golf

DW:

Gedeïoniseerd water

NP's:

Nanodeeltjes

PE:

Pyroelectric

PVDF:

Polyvinylidene difluoride

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

S/N:

Signal-to-noise

V:

Amplitude of PE signal