Sådan fremstiller man nanovæsker

En nanovæske er en teknisk udviklet væske, der består af en basisvæske, som indeholder nanopartikler. Til syntese af nanovæsker kræves en effektiv og pålidelig homogeniserings- og deagglomereringsteknik for at sikre en høj grad af ensartet dispergering. Ultralydsdispergatorer er den overlegne teknologi til fremstilling af nanovæsker med fremragende egenskaber. Ultralydsdispergering udmærker sig ved effektivitet, hurtighed, enkelhed, pålidelighed og brugervenlighed.

Hvad er nanovæsker?

En nanovæske er en væske, der indeholder partikler i nanostørrelse (≺100nm), almindeligvis kaldet nanopartikler. Nanopartikler, der anvendes i nanovæsker, består typisk af metaller, oxider, carbider eller kulstofnanorør. Disse nanopartikler dispergeres i en basisvæske (f.eks. vand, olie osv.) for at opnå en teknisk udviklet kolloid suspension, dvs. nanovæsken. Nanovæsker udviser forbedrede termofysiske egenskaber såsom varmeledningsevne, termisk diffusivitet, viskositet og konvektive varmeovergangskoefficienter sammenlignet med basisvæskens materialeegenskaber.
En almindelig anvendelse af nanovæsker er som kølevæske eller kølemiddel. Ved at tilsætte nanopartikler til konventionelle kølevæsker (såsom vand, olie, ethylenglycol, polyalfaolefin osv.) forbedres de konventionelle kølevæskers termiske egenskaber.

• køle- / varmeoverførselsvæsker
• smøremidler
• biomedicinsk anvendelse

Fremstilling af nanovæsker med en ultralydshomogenisator

Nanovæskers mikrostruktur kan påvirkes og manipuleres ved at anvende den bedst egnede homogeniseringsteknologi og de bedst egnede procesparametre. Ultralydsdispergering har vist sig at være en yderst effektiv og pålidelig teknik til fremstilling af nanovæsker. Ultralydsdispergatorer anvendes inden for forskning og industri til at syntetisere, formale, dispergere og homogenisere nanopartikler med høj ensartethed og en snæver partikelstørrelsesfordeling. Procesparametre for syntese af nanovæsker omfatter tilført ultralydsenergi, ultralydsamplitude, temperatur, tryk og surhedsgrad. Desuden er reaktanternes og tilsætningsstoffernes typer og koncentrationer samt den rækkefølge, hvori tilsætningsstofferne tilsættes opløsningen, vigtige faktorer.
Det er velkendt, at nanovæskers egenskaber i høj grad afhænger af nanomaterialernes struktur og form. Derfor er opnåelsen af kontrollerbare mikrostrukturer i nanovæskerne den vigtigste faktor, der bidrager til nanovæskers funktionalitet og kvalitet. Anvendelse af optimerede sonikeringsparametre såsom amplitude, tryk, temperatur og tilført energi (Ws/mL) er nøglen til at fremstille en stabil, ensartet nanovæske af høj kvalitet. Sonikering kan med succes anvendes til at deagglomerere og dispergere partikler til enkeltvis dispergerede nanopartikler. Ved mindre partikelstørrelse øges både den brownske bevægelse (brownske hastighed) og vekselvirkningerne mellem partikler, hvilket resulterer i mere stabile nanovæsker. Hielschers ultralydsapparater muliggør præcis kontrol over alle vigtige procesparametre, kan køre kontinuerligt ved høje amplituder (24/7/365) og er udstyret med automatisk datalogning, som gør det nemt at evaluere alle sonikeringskørsler.

Ultralydsdispergeret siliciumdioxid i nanostørrelse

Forbedret stabilitet af nanovæsker ved sonikering

I nanovæsker resulterer agglomerering af nanopartikler ikke kun i bundfældning og tilstopning af mikrokanaler, men også i en reduktion af nanovæskernes varmeledningsevne. Ultralydsdeagglomerering og -dispergering anvendes i vid udstrækning inden for materialevidenskab og industri. Sonikering er en gennemprøvet teknik til fremstilling af stabile nanodispersioner med en ensartet nanopartikelfordeling og stor stabilitet. Derfor er Hielschers ultralydsdispergatorer den foretrukne teknologi til fremstilling af nanovæsker.

Ultralydsfremstillede nanovæsker i forskningen

Forskningen har undersøgt virkningerne af sonikering og ultralydsparametre på nanovæskers egenskaber. Læs mere om videnskabelige resultater vedrørende fremstilling af nanovæsker med ultralyd.

Ultralydens virkninger på fremstilling af Al2O3-nanovæsker

Noroozi et al. (2014) fandt, at der ved “højere partikelkoncentration var en større forbedring af nanovæskernes termiske diffusivitet som følge af sonikering. Desuden blev der opnået større stabilitet og forbedring af den termiske diffusivitet ved at sonikere nanovæskerne med sondeultralydsapparatet med højere effekt inden målingen.” Forbedringen af den termiske diffusivitet var større for de mindre nanopartikler. Dette skyldes, at mindre partikler har et højere forhold mellem effektivt overfladeareal og volumen. Mindre partikler bidrog således til dannelsen af en stabil nanovæske, og sonikering med en ultralydssonde havde en betydelig virkning på den termiske diffusivitet. (Noroozi et al. 2014)

Trinvis vejledning til fremstilling af Al2O3-vand-nanovæsker med ultralyd

Vej først Al2O3-nanopartiklernes masse på en digital elektronisk vægt. Tilsæt derefter gradvist Al2O3-nanopartiklerne til det afvejede destillerede vand, og omrør Al2O3-vand-blandingen. Sonikér blandingen kontinuerligt i 1h med ultralydsapparatet af sondetypen UP400S (400W, 24kHz, se billedet til venstre) for at opnå en ensartet dispersion af nanopartikler i destilleret vand. Nanovæskerne kan fremstilles med forskellige andele (0,1%, 0,5% og 1%). Der er ikke behov for overfladeaktive stoffer eller ændringer af pH. (Isfahani et al., 2013)

Vandige ZnO-nanovæsker justeret med ultralyd

Elcioglu et al. (2021) anfører i deres videnskabelige undersøgelse, at “Sonikering er en afgørende proces for korrekt dispergering af nanopartikler i basisvæsken og for stabilitet samt for optimale egenskaber til praktiske anvendelser.” De anvendte ultralydsapparatet UP200Ht til at fremstille ZnO / vand-nanovæsker. Sonikering havde tydelige virkninger på den vandige ZnO-nanovæskes overfladespænding. Forskernes resultater fører til den konklusion, at overfladespænding, dannelse af nanofilm og andre beslægtede egenskaber ved enhver nanovæske kan justeres og tilpasses under passende sonikeringsbetingelser.

Ultralydshomogenisatorer til fremstilling af nanovæsker

Hielscher Ultrasonics udvikler, fremstiller og distribuerer højtydende ultralydsdispergatorer til alle former for homogeniserings- og deagglomereringsanvendelser. Ved fremstilling af nanovæsker er præcis styring af sonikeringen og en pålidelig ultralydsbehandling af nanopartikelsuspensionen afgørende.
Hielscher Ultrasonics’ processorer giver dig fuld kontrol over alle vigtige procesparametre såsom tilført energi, ultralydsintensitet, amplitude, tryk, temperatur og opholdstid. Dermed kan du justere parametrene til optimerede betingelser, hvilket efterfølgende fører til nanovæsker af høj kvalitet.

• Til enhver volumen? kapacitet: Hielscher tilbyder ultralydsapparater og et bredt udvalg af tilbehør. Dette gør det muligt at konfigurere det ideelle ultralydssystem til din anvendelse og produktionskapacitet. Fra små prøveglas med milliliter til store volumenstrømme på tusindvis af gallon pr. time tilbyder Hielscher den passende ultralydsløsning til din proces.
• Robusthed: Vores ultralydssystemer er robuste og pålidelige. Alle Hielschers ultralydsapparater er bygget til drift 24/7/365 og kræver meget lidt vedligeholdelse.
• Brugervenlighed: Den gennemarbejdede software i vores ultralydsapparater gør det muligt at forvælge og gemme sonikeringsindstillinger for enkel og pålidelig sonikering. Den intuitive menu er let tilgængelig via en digital berøringsskærm i farver. Fjernstyring via browser gør det muligt at betjene og overvåge via enhver internetbrowser. Automatisk dataregistrering gemmer procesparametrene for hver sonikeringskørsel på et indbygget SD-kort.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: