Ako vyrobiť nanokvapaliny

Nanokvapalina je technicky navrhnutá kvapalina, ktorá pozostáva zo základnej kvapaliny obsahujúcej nanočastice. Na syntézu nanokvapalín je potrebná účinná a spoľahlivá technika homogenizácie a deaglomerácie, ktorá zabezpečí vysoký stupeň rovnomernosti disperzie. Ultrazvukové dispergátory predstavujú špičkovú technológiu na výrobu nanokvapalín s vynikajúcimi vlastnosťami. Ultrazvuková dispergácia vyniká účinnosťou, rýchlosťou, jednoduchosťou, spoľahlivosťou a používateľskou prívetivosťou.

Čo sú nanokvapaliny?

Nanokvapalina je kvapalina obsahujúca častice nanometrových rozmerov (≺100nm), bežne nazývané nanočastice. Nanočastice používané v nanokvapalinách sú zvyčajne vyrobené z kovov, oxidov, karbidov alebo uhlíkových nanorúrok. Tieto nanočastice sa dispergujú v základnej kvapaline (napr. vo vode, oleji atď.) s cieľom získať technicky navrhnutú koloidnú suspenziu, t. j. nanokvapalinu. Nanokvapaliny vykazujú zlepšené termofyzikálne vlastnosti, ako sú tepelná vodivosť, teplotná vodivosť, viskozita a súčinitele konvekčného prestupu tepla, v porovnaní s materiálovými vlastnosťami základnej kvapaliny.
Bežnou aplikáciou nanokvapalín je ich použitie ako chladiacej kvapaliny alebo chladiva. Pridaním nanočastíc do konvenčných chladiacich kvapalín (ako sú voda, olej, etylénglykol, polyalfaolefín atď.) sa zlepšujú tepelné vlastnosti týchto chladiacich kvapalín.

• chladiace kvapaliny / teplonosné kvapaliny
• mazivá
• biomedicínske aplikácie

Výroba nanokvapalín pomocou ultrazvukového homogenizátora

Mikroštruktúru nanokvapalín možno ovplyvňovať a upravovať použitím najvhodnejšej homogenizačnej technológie a parametrov spracovania. Ultrazvuková dispergácia sa osvedčila ako vysoko účinná a spoľahlivá technika prípravy nanokvapalín. Ultrazvukové dispergátory sa používajú vo výskume a priemysle na syntézu, mletie, dispergáciu a homogenizáciu nanočastíc s vysokou rovnomernosťou a úzkou distribúciou veľkosti častíc. Procesné parametre syntézy nanokvapalín zahŕňajú prísun ultrazvukovej energie, amplitúdu ultrazvuku, teplotu, tlak a kyslosť. Dôležitými faktormi sú aj druhy a koncentrácie reaktantov a prísad, ako aj poradie pridávania prísad do roztoku.
Je dobre známe, že vlastnosti nanokvapalín výrazne závisia od štruktúry a tvaru nanomateriálov. Dosiahnutie kontrolovateľných mikroštruktúr nanokvapalín je preto hlavným faktorom, ktorý prispieva k ich funkčnosti a kvalite. Použitie optimalizovaných parametrov ultrazvukového spracovania, ako sú amplitúda, tlak, teplota a prísun energie (Ws/mL), je kľúčom k výrobe stabilnej, rovnomernej a vysokokvalitnej nanokvapaliny. Ultrazvukové spracovanie možno úspešne použiť na deaglomeráciu a dispergáciu častíc na jednotlivé dispergované nanočastice. S menšou veľkosťou častíc sa zintenzívňuje Brownov pohyb (Brownova rýchlosť), ako aj interakcie medzi časticami, čo vedie k stabilnejším nanokvapalinám. Ultrazvukové prístroje Hielscher umožňujú presné riadenie všetkých dôležitých parametrov spracovania, môžu pracovať nepretržite pri vysokých amplitúdach (24/7/365) a sú vybavené automatickým zaznamenávaním údajov na jednoduché vyhodnocovanie všetkých sonikačných cyklov.

Ultrazvukom dispergovaný oxid kremičitý nanometrových rozmerov

Stabilita nanokvapalín zlepšená sonikáciou

Aglomerácia nanočastíc v nanokvapalinách vedie nielen k usadzovaniu a upchávaniu mikrokanálov, ale aj k zníženiu tepelnej vodivosti nanokvapalín. Ultrazvuková deaglomerácia a dispergácia sa široko používajú v materiálovej vede a priemysle. Sonikácia je osvedčenou technikou prípravy stabilných nanodisperzií s rovnomerným rozložením nanočastíc a vysokou stabilitou. Ultrazvukové dispergátory Hielscher sú preto preferovanou technológiou pri výrobe nanokvapalín.

Ultrazvukom vyrobené nanokvapaliny vo výskume

Výskum skúmal účinky ultrazvukového spracovania a jeho parametrov na vlastnosti nanokvapalín. Prečítajte si viac o vedeckých poznatkoch týkajúcich sa ultrazvukovej prípravy nanokvapalín.

Účinky ultrazvuku na prípravu nanokvapalín s Al2O3

Noroozi a kol. (2014) zistili, že pri „vyššej koncentrácii častíc bolo zvýšenie teplotnej vodivosti nanokvapalín v dôsledku sonikácie väčšie. Navyše sa väčšia stabilita a zvýšenie teplotnej vodivosti dosiahli sonikáciou nanokvapalín pred meraním pomocou sondového sonikátora s vyšším výkonom.“ Zvýšenie teplotnej vodivosti bolo väčšie pri menších nanočasticiach. Je to preto, že menšie častice majú vyšší pomer efektívnej plochy povrchu k objemu. Menšie častice tak pomohli vytvoriť stabilnú nanokvapalinu a sonikácia pomocou ultrazvukovej sondy mala výrazný vplyv na teplotnú vodivosť. (Noroozi a kol. 2014)

Podrobný návod na ultrazvukovú výrobu nanokvapalín Al2O3–voda

Najprv odvážte nanočastice Al2O3 na digitálnych elektronických váhach. Potom ich postupne pridávajte do odváženej destilovanej vody a zmes Al2O3 a vody miešajte. Zmes nepretržite sonikujte počas 1h pomocou ultrazvukového sondového prístroja UP400S (400W, 24kHz, pozri obr. vľavo), aby sa vytvorila rovnomerná disperzia nanočastíc v destilovanej vode. Nanokvapaliny možno pripraviť s rôznymi podielmi (0,1%, 0,5% a 1%). Nie je potrebná žiadna povrchovo aktívna látka ani zmeny pH. (Isfahani a kol., 2013)

Vodné nanokvapaliny so ZnO upravené ultrazvukom

Elcioglu a kol. (2021) vo svojej vedeckej štúdii uvádzajú, že „ultrazvukové spracovanie je nevyhnutným procesom na správnu dispergáciu nanočastíc v základnej kvapaline a zabezpečenie stability, ako aj optimálnych vlastností pre praktické aplikácie“. Na výrobu nanokvapalín ZnO / voda použili ultrazvukový prístroj UP200Ht. Sonikácia mala zreteľný vplyv na povrchové napätie vodnej nanokvapaliny so ZnO. Zistenia výskumníkov vedú k záveru, že povrchové napätie, tvorbu nanofilmu a ďalšie súvisiace vlastnosti akejkoľvek nanokvapaliny možno upravovať a dolaďovať za vhodných podmienok ultrazvukového spracovania.

Ultrazvukové homogenizátory na výrobu nanokvapalín

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové dispergátory pre všetky druhy homogenizačných a deaglomeračných aplikácií. Pri výrobe nanokvapalín sú rozhodujúce presné riadenie sonikácie a spoľahlivé ultrazvukové spracovanie suspenzie nanočastíc.
Procesory Hielscher Ultrasonics vám poskytujú úplnú kontrolu nad všetkými dôležitými parametrami spracovania, ako sú prísun energie, intenzita ultrazvuku, amplitúda, tlak, teplota a doba zdržania. Parametre tak môžete nastaviť na optimalizované podmienky, čo následne vedie k vysokokvalitným nanokvapalinám.

• Pre akýkoľvek objem? kapacitu: Hielscher ponúka ultrazvukové prístroje a široké portfólio príslušenstva. To umožňuje nakonfigurovať ideálny ultrazvukový systém pre vašu aplikáciu a výrobnú kapacitu. Od malých liekoviek s mililitrovými objemami až po veľkoobjemové prúdy s prietokom tisícov galónov za hodinu ponúka Hielscher vhodné ultrazvukové riešenie pre váš proces.
• Robustnosť: Naše ultrazvukové systémy sú robustné a spoľahlivé. Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú skonštruované na prevádzku 24/7/365 a vyžadujú len veľmi malú údržbu.
• Používateľská prívetivosť: Prepracovaný softvér našich ultrazvukových prístrojov umožňuje vopred zvoliť a uložiť nastavenia sonikácie na jednoduchú a spoľahlivú sonikáciu. Intuitívne menu je ľahko prístupné prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja. Diaľkové ovládanie cez prehliadač umožňuje obsluhu a monitorovanie prostredníctvom ľubovoľného internetového prehliadača. Automatické zaznamenávanie údajov ukladá procesné parametre každého sonikačného cyklu na zabudovanú SD kartu.

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov: