ナノ流体の作製方法

ナノ流体は、ナノ粒子を含む基液から構成される、特性を設計した流体です。ナノ流体の合成では、高度に均一な分散を確保するために、効果的で信頼性の高い均質化および解凝集技術が必要です。超音波分散機は、優れた特性を持つナノ流体を製造するための優れた技術です。超音波分散は、効率、速度、簡便性、信頼性、使いやすさに優れています。

ナノ流体とは？

ナノ流体は、一般にナノ粒子と呼ばれるナノサイズの粒子（≺100nm）を含む流体です。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からなります。これらのナノ粒子を基液（水、油など）に分散させることで、特性を設計したコロイド懸濁液、すなわちナノ流体を得ます。ナノ流体は、基液の物性と比較して、熱伝導率、熱拡散率、粘度、対流熱伝達係数などの熱物性が向上しています。
ナノ流体の一般的な用途は、冷却液または冷媒としての使用です。従来の冷却液（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、その冷却液の熱特性が向上します。

• 冷却液 / 熱伝達液
• 潤滑剤
• 生物医学分野での用途

超音波ホモジナイザーによるナノ流体の作製

最も適した均質化技術と処理パラメータを適用することで、ナノ流体の微細構造に影響を与え、制御することができます。超音波分散は、ナノ流体の調製において、非常に効率的で信頼性の高い技術であることが実証されています。超音波分散機は、研究および産業分野で、ナノ粒子の合成、粉砕、分散、均質化に使用され、高い均一性と狭い粒径分布を実現します。ナノ流体の合成における処理パラメータには、超音波エネルギー投入量、超音波振幅、温度、圧力、酸性度が含まれます。さらに、反応物や添加剤の種類と濃度、および添加剤を溶液に加える順序も重要な要因です。
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、よく知られています。したがって、制御可能なナノ流体の微細構造を得ることが、ナノ流体の機能性と品質に寄与する主要な要因です。振幅、圧力、温度、エネルギー投入量（Ws/mL）など、最適化された超音波処理パラメータを用いることが、安定かつ均一な高品質のナノ流体を製造する鍵となります。超音波処理は、粒子を解凝集し、個々のナノ粒子として分散させるために効果的に適用できます。粒径が小さくなると、ブラウン運動（ブラウン運動の速度）と粒子間相互作用が増大し、より安定したナノ流体が得られます。Hielscherの超音波処理装置は、重要な処理パラメータをすべて精密に制御でき、高振幅で連続運転（24/7/365）が可能です。また、自動データ記録機能を備えており、すべての超音波処理の実行結果を容易に評価できます。

超音波で分散させたナノサイズのシリカ

超音波処理によるナノ流体の安定性向上

ナノ流体では、ナノ粒子の凝集により、沈降やマイクロチャネルの閉塞が生じるだけでなく、ナノ流体の熱伝導率も低下します。超音波による解凝集と分散は、材料科学および産業分野で広く適用されています。超音波処理は、ナノ粒子が均一に分布し、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す。そのため、ナノ流体の製造には、Hielscherの超音波分散機が優先的に選ばれています。

研究における超音波で製造したナノ流体

研究では、超音波処理と超音波パラメータがナノ流体の特性に及ぼす影響が調べられています。超音波によるナノ流体調製に関する科学的知見について、詳しくご覧ください。

Al2O3ナノ流体の調製に及ぼす超音波の影響

Noroozi et al. (2014)は、「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大きかった。さらに、測定前に、より高出力のプローブ式超音波処理装置でナノ流体を超音波処理することで、より高い安定性と、より大きな熱拡散率の向上が得られた」と報告しています。熱拡散率の向上は、より小さいナノ粒子（NPs）で大きくなりました。これは、粒子が小さいほど、体積に対する有効表面積の比率が高いためです。したがって、小さい粒子は安定したナノ流体の形成に寄与し、超音波プローブによる超音波処理は熱拡散率に大きな影響を及ぼしました。（Noroozi et al. 2014）

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ナノ粒子の質量を測定します。次に、秤量した蒸留水にAl2O3ナノ粒子を徐々に加え、Al2O3–水混合物を撹拌します。プローブ式超音波処理装置UP400S（400W、24kHz、左の写真を参照）を用いて混合物を1h連続で超音波処理し、蒸留水中にナノ粒子を均一に分散させます。ナノ流体は、異なる割合（0.1%、0.5%、1%）で調製できます。界面活性剤やpHの変更は必要ありません。（Isfahani et al., 2013）

超音波で特性を調整した水系ZnOナノ流体

Elcioglu et al. (2021)は、その科学研究で「超音波処理は、基液中でのナノ粒子の適切な分散と安定性、および実際の用途に最適な特性を得るために不可欠な工程である」と述べています。研究では、超音波処理装置UP200Htを用いてZnO / 水ナノ流体を製造しました。超音波処理は、水系ZnOナノ流体の表面張力に明確な影響を及ぼしました。研究者らの知見から、適切な超音波処理条件下では、あらゆるナノ流体の表面張力、ナノ薄膜形成、およびその他の関連特性を調整できると結論づけられます。

ナノ流体製造用超音波ホモジナイザー

Hielscher Ultrasonicsは、あらゆる種類の均質化および解凝集用途向けに、高性能超音波分散機を設計、製造、販売しています。ナノ流体の製造では、超音波処理の精密な制御と、ナノ粒子懸濁液に対する信頼性の高い超音波処理が極めて重要です。
Hielscher Ultrasonicsの処理装置では、エネルギー投入量、超音波強度、振幅、圧力、温度、滞留時間など、重要な処理パラメータをすべて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でき、その結果、高品質のナノ流体が得られます。

• あらゆる容量? 処理能力に対応: Hielscherは、超音波処理装置と幅広いアクセサリーを提供しています。これにより、お客様の用途と生産能力に最適な超音波システムを構成できます。ミリリットル単位の少量を入れた小型バイアルから、毎時数千ガロンの大流量まで、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に優れています。Hielscherのすべての超音波処理装置は、24/7/365運転向けに設計されており、メンテナンスはごくわずかで済みます。
• 使いやすさ: 当社の超音波装置に搭載された精巧なソフトウェアにより、超音波処理の設定を事前に選択して保存でき、簡単で確実な超音波処理を行えます。直感的なメニューには、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。ブラウザーによる遠隔制御では、あらゆるインターネットブラウザーを介して操作と監視を行えます。自動データ記録機能は、各超音波処理の実行時の処理パラメータを内蔵SDカードに保存します。

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力の目安を示しています: