ナノ流体の作り方

ナノ流体は、ナノ粒子を含むベース流体からなる人工流体である。ナノ流体の合成には、高度に均一な分散を確保するために、効率的で信頼性の高い均質化・脱凝集技術が必要である。超音波分散機は、優れた特性を持つナノ流体を製造する優れた技術である。超音波分散は、効率、スピード、シンプルさ、信頼性、使いやすさにおいて優れています。

ナノ流体とは何か？

ナノ流体とは、一般にナノ粒子と呼ばれるナノサイズ（↪Sm_227nm） の粒子を含む流体のことである。ナノ流体に使用されるナノ粒子は通常、金属、酸化物、炭化物、またはカーボンナノチューブでできている。これらのナノ粒子は、人工のコロイド懸濁液、すなわちナノ流体を得るために、ベース流体（水、油など）に分散される。ナノ流体は、ベース流体の材料特性と比較して、熱伝導率、熱拡散率、粘度、対流熱伝達率などの熱物理特性が向上します。
ナノ流体の一般的な用途は、冷却剤や冷媒としての使用である。従来の冷却剤（水、油、エチレングリコール、ポリアルファオレフィンなど）にナノ粒子を添加することで、従来の冷却剤の熱特性が改善されます。

• 冷却/伝熱液
• 潤滑油
• 生物医学的応用

超音波ホモジナイザーでナノ流体を作る

ナノ流体の微細構造は、最適な均質化技術と処理パラメーターの適用によって影響を受け、操作することができる。超音波分散は、ナノ流体調製のための非常に効率的で信頼性の高い技術として証明されている。超音波分散機は、高い均一性と狭い粒度分布でナノ粒子を合成、粉砕、分散、均質化するために、研究および産業界で使用されています。ナノ流体合成のプロセスパラメーターには、超音波エネルギー入力、超音波振幅、温度、圧力、酸度が含まれる。さらに、反応物と添加物の種類と濃度、添加物を溶液に加える順序も重要な要素である。
ナノ流体の特性がナノ材料の構造と形状に強く依存することはよく知られている。したがって、ナノ流体の制御可能な微細構造を得ることは、ナノ流体の機能性と品質に寄与する主な要因である。振幅、圧力、温度、エネルギー入力（Ws/mL）などの最適化された超音波処理パラメータを使用することが、安定した均一な高品質のナノ流体を製造する鍵である。超音波処理は、粒子の凝集を解除し、単一の分散ナノ粒子に分散させるためにうまく適用できる。粒子径が小さくなると、粒子間相互作用だけでなくブラウン運動（ブラウン速度）も増加し、より安定したナノ流体が得られます。Hielscherの超音波発生装置は、重要な処理パラメーターをすべて正確に制御することができ、高振幅で連続運転（24時間365日）が可能で、すべての超音波処理を簡単に評価できる自動データプロトコールが付属しています。

超音波分散ナノサイズシリカ

超音波処理によるナノ流体の安定性向上

ナノ流体の場合、ナノ粒子の凝集はマイクロ流路の沈降や目詰まりを引き起こすだけでなく、ナノ流体の熱伝導率を低下させる。超音波による脱凝集と分散は、材料科学と工業において広く応用されている。超音波分散は、均一なナノ粒子分布と優れた安定性を持つ安定したナノ分散液を調製するための実証済みの技術である。そのため、ナノ流体の製造に関しては、Hielscher社の超音波分散機が最適な技術です。

超音波ナノ流体の研究

ナノ流体の特性に対する超音波処理と超音波パラメーターの影響について研究されている。超音波ナノ流体調製に関する科学的知見の詳細を読む。

Al2O3ナノ流体調製における超音波効果

Norooziら（2014）は、以下のことを発見した。 “粒子濃度が高いほど、超音波処理によるナノ流体の熱拡散率の向上が見られた。さらに、測定前に高出力プローブソニケーターでナノ流体を超音波処理することで、より高い安定性と熱拡散率の向上が得られた。” 熱拡散率の向上は、粒径が小さいほど大きかった。これは、粒子が小さいほど体積に対する有効表面積が大きいためである。したがって、粒子が小さいほど安定したナノ流体を形成しやすくなり、超音波プローブによる超音波処理によって熱拡散率に大きな効果がもたらされた。(Noroozi et al.）

超音波によるAl2O3-水ナノ流体の製造手順

まず、デジタル電子天秤でAl2O3ナノ粒子の質量を秤量する。次に、秤量した蒸留水にAl2O3ナノ粒子を少しずつ入れ、Al2O3-水混合物を撹拌する。この混合物を超音波プローブ型装置UP400S（400W、24kHz、左写真参照）で1時間連続的に超音波処理し、蒸留水中にナノ粒子を均一に分散させる。ナノ流体は、異なる分率（0.1%、0.5%、1%）で調製できる。界面活性剤やpHの変更は必要ない。(Isfahani et al., 2013)

超音波チューニングされたZnOナノ水性流体

Elciogluら（2021年）は科学的研究の中で次のように述べている。 “超音波処理は、ベース液中へのナノ粒子の適切な分散と安定性、また実際の用途に最適な特性を得るために不可欠なプロセスである。” 彼らはZnO/水ナノ流体の製造に超音波発生装置UP200Htを使用した。超音波処理は、水性ZnOナノ流体の表面張力に明らかな影響を与えた。この研究結果は、ナノ流体の表面張力、ナノ薄膜形成、その他の関連機能は、適切な超音波処理条件下で調整・調整できるという結論に達した。

ナノ流体製造用超音波ホモジナイザー

Hielscher Ultrasonics社は、あらゆる種類の均質化・脱凝集アプリケーション用の高性能超音波分散器を設計・製造・販売しています。ナノ流体の製造においては、正確な超音波処理制御とナノ粒子懸濁液の信頼性の高い超音波処理が重要です。
Hielscher Ultrasonics’ プロセッサーは、エネルギー入力、超音波強度、振幅、圧力、温度、保持時間など、すべての重要な処理パラメーターを完全に制御できます。これにより、パラメータを最適な条件に調整することができ、その結果、高品質のナノ流体を得ることができます。

• どんな容量でも？ Hielscher社は、超音波発生装置と幅広いアクセサリーのポートフォリオを提供しています。これにより、お客様のアプリケーションと生産能力に最適な超音波システムを構成することができます。ミリリットルの少量バイアルから、1時間当たり数千ガロンの大量ストリームまで、Hielscherはお客様のプロセスに適した超音波ソリューションを提供します。
• 堅牢性： 当社の超音波システムは堅牢で信頼性があります。Hielscherの超音波装置はすべて、24時間365日稼動するように設計されており、メンテナンスはほとんど必要ありません。
• 使い勝手の良さ： 当社の超音波装置の精巧なソフトウェアでは、超音波処理の設定を事前に選択・保存することができ、シンプルで信頼性の高い超音波処理を実現します。直感的なメニューは、デジタルカラータッチディスプレイから簡単にアクセスできます。リモートブラウザコントロールにより、どのインターネットブラウザからでも操作・監視が可能です。自動データ記録機能により、超音波処理のプロセスパラメーターが内蔵SDカードに保存されます。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：