Efeito fototérmico da modulação da irradiação a laser na difusividade térmica de nanofluidos de Al2O3

Resumo

Os lasers de onda contínua modulada (CW) causam efeito fototérmico que leva à rápida absorção óptica e geração de ondas térmicas ao redor das nanoestruturas irradiadas. Neste trabalho, examinamos o efeito da irradiação laser CW modulada no processo de fragmentação de partículas para aumentar a difusividade térmica de nanofluidos. Um laser de diodo fácil e econômico foi aplicado para reduzir o tamanho aglomerado de Al ₂ O ₃ nanopartículas em água desionizada. A geração de ondas térmicas, que foi determinada pela frequência modulada do feixe de laser e pelas propriedades ópticas e térmicas do nanofluido, também é brevemente discutida e resumida. A influência do tempo de irradiação do laser no tamanho das nanopartículas e sua distribuição de tamanho foi determinada por espalhamento de luz dinâmico e microscopia eletrônica de transmissão. A difusividade térmica do nanofluido foi medida pelo método fotopiroelétrico. Os dados obtidos mostraram que a irradiação laser modulada ocasionou a fragmentação parcial de algumas partículas aglomeradas nos coloides, com diâmetro médio próximo ao tamanho original da partícula, conforme indicado por um tamanho de distribuição estreito. A redução no tamanho aglomerado das partículas também resultou em um aumento dos valores de difusividade térmica, de 1,444 × 10 ⁻³ para 1,498 × 10 ⁻³ cm ² / s em 0 a 30 min de tempo de irradiação. Este trabalho traz novas possibilidades e percepções sobre a fragmentação de nanomateriais aglomerados com base no estudo fototérmico.

Histórico

Nanofluidos de óxidos metálicos têm atraído muita atenção devido às suas propriedades térmicas aprimoradas, que os permitem desempenhar papéis específicos no desenvolvimento de equipamentos de transferência de calor. Nanofluidos de óxidos de metal são bem conhecidos por possuírem propriedades termo-físicas aprimoradas, como difusividade térmica, condutividade térmica e coeficientes de transferência de calor por convecção em comparação com os de fluidos de base como óleo ou água. Al ₂ O ₃ é um óxido interessante, como material potenciador da transferência de calor, devido à sua elevada condutividade térmica. A condutividade térmica dos nanofluidos atua como propriedades importantes no desenvolvimento de um equipamento de transferência de calor com eficiência energética, usado principalmente no campo industrial, como automotivo, equipamentos eletrônicos e aplicações médicas. As propriedades térmicas dos nanofluidos são sensíveis ao tamanho e forma das nanopartículas (NPs) e seus fluidos de base [1,2,3,4,5]. Isso é um problema, pois NPs têm tendência a se agregar rapidamente e causar uma diminuição nas propriedades térmicas dos nanofluidos [6,7,8]. Recentemente, métodos de nanopartículas produzidas a laser têm sido usados para modificar e gerar NPs diretamente nos fluidos de base [8,9,10] para serem usados em engenharia química, óptica e térmica, fototerapia, catálise e transferência de calor. O tamanho e a dispersão dele podem ser controlados por parâmetros de laser variáveis, como o comprimento de onda do laser, duração do pulso, número de pulsos de laser e energia do pulso [11, 12]. Em geral, a interação entre o laser e as partículas não só causou ablação fototérmica, mas também gerou ondas térmicas (TWs) em torno das nanoestruturas, e seu meio circundante, que levam a uma redução no tamanho das partículas ou à formação de NPs com um distribuição de tamanho específico. Estudos sobre a fabricação óptica de NPs por irradiação a laser mostraram que a ablação a laser de alvos sólidos [12,13,14,15] e a fragmentação de pós microcristalinos suspensos [16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26] podem ser empregados usando poderosos lasers pulsados ou fontes de laser CW de baixa intensidade. Os lasers pulsados têm sido usados em muitos estudos para a ablação a laser de alvos sólidos em líquidos. Embora a irradiação a laser seja uma técnica útil para auxiliar na formação de NPs em nanofluidos, a eficiência do processo de irradiação a laser é bastante sensível à duração do pulso. No entanto, no caso da irradiação com laser pulsado, o tamanho e a distribuição do NP foram significativamente influenciados pelo número e tempos de irradiação dos pulsos do laser. Isso implica que ainda era difícil conseguir mais produção de partículas com controle sobre as distribuições de tamanho dos nanoclusters produzidos. Nos últimos anos, os lasers CW têm sido usados em vários estudos para a fabricação de NPs [27,28,29,30]. Existem várias vantagens em usar fontes de laser CW em oposição a outras fontes ópticas, pois geralmente são mais baratas, menores e têm uma configuração mais portátil que pode ser potencialmente combinada com outros dispositivos, especialmente como uma fonte de terapia fototérmica para aplicação médica e a remodelagem e fabricação de nanomateriais [30, 31]. Recentemente, muitas investigações experimentais e teóricas com o objetivo de compreender o mecanismo de irradiação do laser têm sido realizadas [24, 31,32,33,34,35,36]. Com base em cálculos e confirmações experimentais, a ablação a laser e a fragmentação de NPs podem ser impulsionadas pelo efeito fototérmico (PT) [37,38,39,40,41]. O efeito PT permite a otimização e monitoramento da eficiência da irradiação do laser com diferentes fontes ópticas em diferentes projetos experimentais [42,43,44,45,46,47,48,49]. O laser CW modulado é geralmente usado em aplicações que envolvem o efeito PT. Pode ser uma boa fonte de luz PT, dada uma frequência de modulação ideal. Pode-se observar um aumento na eficiência das ondas térmicas e na relação sinal / ruído (S / R), tornando-a mais adequada para o processo de fragmentação de NPs. Além disso, uma otimização cuidadosa das condições experimentais pode estabelecer controle sobre as distribuições de tamanho dos nanoclusters produzidos e as propriedades térmicas dos nanofluidos. No entanto, nenhum estudo detalhado existe na literatura para o efeito PT da modulação do laser CW na formação e tamanho de NPs e suas propriedades térmicas.

No artigo, um laser de diodo CW foi usado para a fragmentação do cluster Al ₂ O ₃ partículas para aumentar a difusividade térmica dos nanofluidos, sob vários tempos de irradiação. A base da geração de ondas térmicas do feixe de laser CW modulado foi brevemente resumida e o efeito da frequência do feixe modulado e parâmetros físicos foram discutidos. Os resultados do processo de fragmentação do laser foram analisados usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e análise de espalhamento dinâmico de luz (DLS). Finalmente, o efeito do tratamento a laser na difusividade térmica dos nanofluidos foi investigado. A técnica fotopiroelétrica (PPE) foi usada como um método válido para medir a difusividade térmica dos nanofluidos com altíssima precisão e resolução.

Geração de ondas térmicas do feixe de laser modulado

No laser modulado CW, a absorção do feixe de luz incidente modulado causa um campo de onda térmica, que é resultado da distribuição periódica da temperatura na superfície [50]. No caso de modulação com frequências diferentes, quando a superfície de um material absorvente é irradiada com uma radiação óptica modulada na frequência f , onde fluxo é a intensidade da fonte e é a frequência angular modulada da luz incidente, a absorção do feixe de luz incidente modulado resultará na geração de ondas térmicas na superfície da amostra. A Figura 1 é uma ilustração esquemática dos fenômenos resultantes da exposição de uma superfície de amostra a um feixe de laser CW modulado. A energia térmica acústica que surge devido aos efeitos PT leva ao transporte de ondas térmicas através da amostra e do meio circundante.

Fenômenos fototérmicos causados pela iluminação de uma superfície por feixe modulado de luz

No caso de nanofluido com uma quantidade de partículas sólidas, as ondas térmicas geradas nas partículas sólidas se difundem em ambos os meios, incluindo as outras partículas sólidas e a camada de fluido adjacente, em um campo de onda térmica 3-D. A onda térmica difunde-se em 3-D, se a fonte de calor for pequena em comparação com as dimensões laterais da amostra; esta equação de difusão térmica precisa ser resolvida usando simetria cilíndrica. Com base na teoria da série de Fourier, a relação entre o gradiente de temperatura (∇ T ) e a taxa de condução ( k ) na direção do fluxo de energia ( q ) em um material é
$$ q =-k \ nabla T $$ (1)
, e a equação diferencial de condução de calor é [50]
$$ {\ nabla} ^ 2T =\ frac {1} {\ alpha} \ frac {\ partial T} {\ partial t} $$ (2)
A equação de difusão térmica na partícula sólida, como uma fonte de calor distribuída, é [51]
$$ \ frac {\ parcial ^ 2 {T} _s} {\ parcial {r} ^ 2} + \ frac {1} {r} \ frac {\ parcial {T} _s} {\ parcial r} + \ frac {\ parcial ^ 2 {T} _s} {\ parcial {z} ^ 2} =\ frac {1} {\ alpha_s} \ frac {\ parcial {T} _s} {\ parcial t} - \ frac {1} {2k} {I} _0 \ left (1 + {\ mathrm {e}} ^ {i \ omega t} \ right) $$ (3)
As equações de difusão térmica em meio fluido de base podem ser escritas como [51]
$$ \ frac {\ parcial ^ 2 {T} _l} {\ parcial {r} ^ 2} + \ frac {1} {r} \ frac {\ parcial {T} _l} {\ parcial r} + \ frac {\ parcial ^ 2 {T} _l} {\ parcial {z} ^ 2} =\ frac {1} {\ alpha_l} \ frac {\ parcial {T} _l} {\ parcial t} $$ (4)
A propagação da onda térmica em um material depende de sua difusividade térmica α =( k / ρc ) ^1/2 , onde k denota a condutividade térmica, ρ a densidade e c a capacidade de calor. A onda térmica se propagando T ( x , t ) na abordagem unidimensional pode ser encontrada resolvendo a equação complexa
$$ T \ left (x, t \ right) ={T} _0 {e} ^ {\ left (-x / \ mu \ right)} {e} ^ {\ left [i \ left (\ omega tx / \ mu \ right) \ right]} $$ (5)
onde σ _j =(1 + i ) / μ _j é o coeficiente de difusão de onda térmica, μ =( α / π f ) ^1/2 é o comprimento de difusão térmica na frequência f , e α é a difusividade térmica da amostra líquida; T _o é a mudança inicial de temperatura produzida pela fonte, e a onda é atenuada por um fator de 1 / e . A Figura 2a, b mostra claramente a queda térmica da amplitude e fase das ondas térmicas (Eq. 5) em função da distância (profundidade) de distância da fonte em x = x ₀ . A taxa de queda de amplitude acentuada (exponencial) longe da fonte depende da difusividade térmica do meio; quanto maior a difusividade, mais suave é a inclinação. Um comportamento semelhante é observado para a fase. Para a baixa difusividade térmica, as ondas térmicas induzidas têm um comprimento de onda térmico curto e estão sujeitas a uma grande atenuação. Portanto, a transferência de calor na superfície da partícula não ocorre, e o efeito PT começa a diminuir, pois a principal característica da onda térmica é que ela decai fortemente [52, 53]. Esta simulação mostrou que o efeito térmico é predominante em partículas com alta difusividade térmica e descolamento induzido da superfície das partículas. Neste trabalho, a água é utilizada como um líquido de maior difusividade térmica do que os demais líquidos, produzindo assim maior S / R em relação a este último.

a Amplitude e b fase da Eq. (5) com difusividade térmica α como um parâmetro

Métodos

Preparação de Nanofluidos

Os nanofluidos foram preparados por dispersão de 0,05 g de Al ₂ O ₃ NPs (11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) em 25 ml de água desionizada (DI). Um volume por cento de polivinilpirrolidona (PVP) (K25, MW – 29000, Aldrich Chemistry) foi adicionado para estabilizar os nanofluidos; Al ₂ O ₃ NPs na água têm uma forte tendência de formar agregados [54, 55]. A suspensão foi agitada em cerca de 1 h, em seguida, a mistura foi submetida a sonicação com sonda por 30 min (VCX 500, 25 kHz, 500 W) para garantir a distribuição homogênea das partículas. Após a suspensão ter sido bem misturada por 30 min, o tamanho hidrodinâmico das partículas aglomeradas na solução foi monitorado usando DLS.

Processo de fragmentação a laser

O processo de fragmentação do laser por um feixe de laser CW modulado é representado na Fig. 3a. A configuração experimental para o laser modulado CW é um experimento bastante simples. Uma cuvete contendo 2 ml da solução de amostra foi colocada numa placa de agitação e irradiada ao longo do eixo vertical com um laser de estado sólido bombeado com díodo CW (532 nm, 200 mW, MGL 150 (10)). O laser foi modulado usando um chopper óptico (SR540) a uma frequência de modulação de 10 Hz, para produzir um S / R razoavelmente alto. O laser foi focado em cerca de 0,1 mm (2,5 kW / cm ² ) da superfície da solução na cubeta de quartzo usando uma lente de distância focal de 10 cm. A agitação magnética foi realizada para garantir a distribuição homogênea das partículas. O processo foi repetido em 10 e 30 min. Após cada experimento, as morfologias das suspensões coloidais obtidas foram analisadas por TEM (H-7100, Hitachi, Tóquio, Japão), e a distribuição de tamanho do Al ₂ O ₃ NPs em solução foram determinados usando o software UTHSCSA ImageTool (versão 3.0). O tamanho hidrodinâmico das partículas aglomeradas na solução foi obtido a partir da análise DLS usando o Nanophox Analyzer (Sympatec GmbH, D-38678), e uma média foi tirada de pelo menos quatro medições.

a Diagrama de blocos da configuração experimental usada na fragmentação de partículas por um feixe de laser CW modulado e b vista esquemática da célula de detecção de configuração fotopiroelétrica (PPE) para medição de difusividade térmica

Medições de difusividade térmica

Os detalhes da configuração experimental para medições de difusividade térmica em amostras líquidas podem ser encontrados em outro lugar [56]. A técnica PPE tem se mostrado um método útil para analisar propriedades térmicas de diversos tipos de líquidos, com altíssima precisão e resolução [51,52,53, 56,57,58,59]. A vantagem desta técnica é que usamos um pequeno volume limitado juntamente com um curto tempo de medição [56,57,58,59]. A técnica PPE foi empregada para medir a difusividade térmica do Al ₂ O ₃ nanofluidos. A Figura 3b mostra a câmara de geração de sinal PE ou célula utilizada na técnica PPE. A célula continha uma folha de cobre (50 μm de espessura) agindo como um gerador de PE e um filme de difluoreto de polivinilideno (PVDF) de 52 μm (MSI DT1-028 K / L) agindo como um detector de PE, e a amostra de nanofluido foi colocada neste cavidade. Como o filme PVDF é muito flexível, ele foi fixado com cola de silicone no substrato Perspex. A superfície da folha de cobre foi revestida com uma camada muito fina de fuligem de carbono para atuar como um conversor de luz para calor eficiente. A intensidade de um laser de diodo (532 nm, 200 mW) foi modulada pelo chopper óptico (SR540) antes da iluminação na folha de cobre. Na célula, a onda térmica se propaga através do líquido e atinge o detector PE, que gera um sinal PE proporcional à intensidade da onda térmica. O sinal PE gerado pelo detector PVDF foi analisado usando um amplificador lock-in (SR.530) para produzir sinais de amplitude e fase PE. Para evitar vibrações e possíveis contribuições do sensor PVDF, sua face traseira inferior foi fixada a um recipiente Perspex. O experimento foi feito para o escaneamento da cavidade. A frequência em 6,7 Hz foi escolhida para um regime termicamente espesso para uma amplitude de sinal razoavelmente alta no sistema. As medições foram realizadas em temperatura ambiente (aproximadamente 22 ° C). As medições foram repetidas cinco vezes para uma amostra específica, e o valor médio de difusividade térmica foi obtido. O software LabVIEW, instalado em PC, foi utilizado para a captura do sinal PE e os dados foram analisados no Origin 8. O campo de temperatura do sistema experimental pode ser calculado de acordo com a teoria de condução da cavidade por ondas térmicas [57]. O sinal PE detectado pelo sensor PVDF, o sinal PE ( V ), é determinado pela distância do comprimento da cavidade e difusividade térmica da amostra:
$$ V \ left (f, l \ right) ={V} _0 \ exp \ left (- \ left (1 + i \ right) AL \ right) $$ (6) $$ \ ln \ left | V \ esquerda (f, l \ direita) \ direita | =\ ln \ esquerda | {V} _0 \ direita | - AL $$ (7) $$ \ varphi ={\ varphi} _0- AL $$ (8)
onde A =( πf / α ) ^1/2 para obter esta expressão, V (f , l) é o sinal PE complexo, V _o e φ são a amplitude e a fase do sinal PE, f é a frequência de modulação, e α é a difusividade térmica da amostra. Do parâmetro de ajuste de inclinação A =( πf / α ) ^1/2 de fase e ln (amplitude) em função da varredura da cavidade, a difusividade térmica do líquido pode ser calculada [58].

Resultados e discussão

Melhoria da onda térmica

Existem alguns parâmetros-chave que devem ser considerados para gerar uma forte amplitude de onda térmica:

a.
Frequência de modulação da luz de modulação

Da Eq. (5), deve haver uma frequência de modulação ideal para maximizar a amplitude da onda térmica. Ao contrário de outras ondas, a onda térmica é fortemente amortecida com uma constante de decaimento igual ao comprimento de difusão térmica do meio de propagação [52]. As ondas térmicas originadas não mais profundas do que o comprimento de difusão térmica no material contribuem para a propagação do calor [53]. As ondas térmicas são refletidas e transmitidas na interface e a amplitude das ondas térmicas é atenuada dentro de um comprimento de difusão térmica da amostra. Com o aumento da frequência de modulação de acordo com a Eq. (5), o comprimento de difusão térmica diminui e apenas a luz absorvida dentro da camada superficial contribui para o sinal, enquanto as ondas térmicas se propagam profundamente em um sólido se o material tiver uma alta difusividade térmica ou se a frequência da onda térmica for baixa. No experimento, deve-se escolher cuidadosamente a frequência de modulação para obter um pico ressonante agudo (na verdade, um vale). A frequência de modulação é escolhida na faixa espacial. Se a frequência for muito baixa, o sinal é forte, mas o pico é muito plano para a determinação precisa de seu máximo. Embora se a frequência for muito alta, o pico é bastante nítido, mas a relação sinal-ruído (S / R) fica comprometida, o que torna a identificação da posição do pico difícil.

A Figura 4 mostra a parte real simulada (em fase) do sinal PE em função do comprimento da cavidade de água, em diferentes frequências de 7 Hz a 100 Hz. Percebe-se que a relação S / R foi maior para as frequências mais baixas, 7 Hz, enquanto o pico foi muito plano para a determinação precisa de seu máximo (Fig. 4a). Porém, o pico foi bastante agudo nas frequências mais altas, 100 Hz, (Fig. 4d), obtendo-se um sinal de saída menor, o que dificultou a identificação da posição do pico [52]. Verificou-se experimentalmente que com 10 Hz como frequência de operação, a relação S / R era boa em uma faixa de frequências e apresentava amplitude de sinal satisfatória no sistema.

b.
Absorção óptica dos nanofluidos

A parte real (em fase) do sinal PE vs comprimento relativo da cavidade para água em diferentes frequências: a 7 Hz, b 20 Hz, c 50 H e d 100 Hz, difusividade térmica da água ( α _w , =0,00145 cm ² .s ⁻¹ )

Cada partícula é um objeto de dispersão e absorção de luz. A energia absorvida pode ser convertida em calor, e a soma da absorção de luz das partículas é a extinção térmica. A amplitude da onda térmica pode ser aumentada aumentando a absorção óptica [52, 59] com os nanofluidos. O tamanho da partícula, a forma e a fração de volume, bem como a alternância dos fluidos de base, têm um efeito importante na absorção óptica dos nanofluidos. O Al ₂ O ₃ / água nanofluido teve absorção óptica favorável. A energia óptica que absorve 13% da água aumentou com Al ₂ O ₃ NPs no fluido de base e aumentaram ainda mais quando a concentração dos NPs aumentou. Com uma alta concentração de NPs, a luz incidente de cada partícula foi absorvida em uma fina camada superficial.

c.
Capacidade de calor específico dos nanofluidos

Fabricação de partículas de tamanho pequeno Al ₂ O ₃ em solução usando uma fragmentação de laser CW modulado pode aumentar o armazenamento de calor do nanofluido, devido ao fato de que a capacidade de calor específico do fluido de base diminuiu com a diminuição do tamanho da partícula e aumento da quantidade de NPs, devido ao aumento da área de superfície para - razão de volume das partículas [6]. Portanto, a menor capacidade de calor específico do nanofluido permitiu a amplitude da onda térmica devido ao aumento da temperatura e transferência de calor.

d.
Difusividade térmica dos nanofluidos

O calor é transferido das partículas sólidas para o meio circundante seguido pela expansão das ondas térmicas, onde a amplitude das ondas térmicas (TWs) é uma função forte da difusividade térmica. Como mostrado na Fig. 2, uma difusividade térmica maior é geralmente preferida para comprimentos de difusão térmica maiores e a amplitude da onda térmica abaixo da superfície decai lentamente. Portanto, a grande difusividade térmica do fluido de base é crucial para a transferência de calor efetiva das partículas sólidas para o fluido, maximizando assim a geração de ondas térmicas. Neste trabalho, água com alta difusividade térmica (0,00145 cm ² / s) era um bom fluido de base para geração eficiente de ondas térmicas. A difusividade térmica da água aumentou com o aumento da quantidade de NPs, devido ao aumento dos movimentos brownianos [56]. A maior difusividade térmica e menor calor específico do Al ₂ O ₃ O nanofluido em comparação com a água permitiu que ele fosse um excelente gerador de ondas térmicas.

Resultados Experimentais

Fragmentação a laser do Al ₂ O ₃ Nanopartículas

As imagens TEM mostrando o tamanho médio e distribuição de tamanho do Al ₂ O ₃ NPs em água desionizada / solução de PVP antes e após 10 min e 30 min de irradiação são mostrados na Fig. 6. Pode-se observar que o material coletado era composto por aglomerados de partículas de formato quase esférico, dispersas em um material altamente poroso. Foi observada alguma aglomeração de cerca de 100 nm de diâmetro e o tamanho médio do Al ₂ O ₃ NPs foi de cerca de 16,4 ± 7,8 nm (Fig. 5a). A faixa de material poroso foi reduzida e o tamanho médio de partícula foi de 14,2 ± 5,4 nm após 10 min de irradiação (Fig. 5b). A Figura 5c mostrou que o Al ₂ O ₃ NPs estavam quase uniformemente distribuídos e estreitos em tamanho (12,03 ± 3,5 nm) após 30 min de irradiação como resultado da absorção da energia do laser que levou à fragmentação das partículas [25]. No entanto, a taxa de fragmentação das partículas diminuiu quando as NPs atingiram seu tamanho crítico após 30 min de irradiação. O aumento do número total de partículas resultou em um aumento na concentração de NPs, e a aglomeração dessas pequenas partículas, portanto, a absorção de luz das partículas em solução foi diminuída. Os dados obtidos mostraram que o efeito da irradiação laser no tamanho da distribuição foi maior do que no tamanho das partículas [11].

As imagens TEM e os histogramas de tamanho relativo do Al ₂ O ₃ -NPs a antes (16,4 ± 7,8 nm) e após a irradiação do laser, em b 10 min (14,2 ± 5,4 nm), e em c 30 min (12,03 ± 3,5 nm), respectivamente

O diâmetro hidrodinâmico do Al ₂ O ₃ partículas nos nanofluidos podem fornecer informações sobre a estabilidade dos nanofluidos. A Figura 6 mostra a função de densidade de distribuição das NPs na suspensão (a) sem e com irradiação após (b) 10 min e (c) 30 min. A gravidade da curva de densidade fornece o diâmetro médio da esfera. Além disso, um tamanho hidrodinâmico estreito das partículas foi obtido quando a exposição ao laser após 10 e 30 min (bec), enquanto as partículas antes da irradiação tinham uma interface amplamente espalhada indicando um maior grau de polidispersidade (Fig. 6a). Os dados obtidos mostraram que uma curva de distribuição mais nítida das partículas altamente homogêneas foi obtida após a irradiação do laser. Isso pode ser devido à fragmentação das partículas após a irradiação do laser. Tempos de irradiação de laser mais longos resultaram em uma maior fragmentação das partículas e, portanto, maior número de partículas em solução com uma distribuição nítida. Observou-se que a tendência de aglomeração aumentou com o aumento do número de partículas menores na água [7, 54, 55]. A Figura 6d mostra a distribuição do diâmetro hidrodinâmico do Al ₂ O ₃ partículas nos nanofluidos com diâmetros de 87,7 ± 14,59 nm, e 90,97 ± 9,21 nm e 91,57 ± 2,61 nm para antes e após 10 e 30 min de irradiação, respectivamente. Verificou-se que a distribuição do tamanho das partículas diminuiu de ~ 15 para ~ 3 nm, quando os tempos de irradiação aumentaram de 0 para 30 min, respectivamente. A fragmentação dos aglomerados ocorreu por meio de uma absorção direta do laser com um resultado final de partículas que eram quase uniformes na distribuição de tamanho, conforme visto a partir dos dados Nanophox e TEM. Os dados obtidos mostraram que o efeito da irradiação laser no tamanho da distribuição foi maior do que no tamanho das partículas. No entanto, o tamanho hidrodinâmico dos NPs obtidos no analisador Nanophox foi sempre maior do que o tamanho das partículas secas obtidas no TEM, pois o diâmetro hidrodinâmico médio é o tamanho das partículas aglomeradas em solução. A distribuição acentuada e os efeitos de redução de tamanho observados aqui foram relatados na literatura [7,8,9,10,16,17,18,19,20,21,22,23].

A densidade de distribuição determinada usando o analisador Nanophox de Al ₂ O ₃ partículas nas suspensões a sem, com irradiação após b 10 min e c 30 min e d distribuição do diâmetro hidrodinâmico de NPs em nanofluidos em função dos tempos de irradiação

Medições de difusividade térmica

Para medir o efeito da irradiação laser na difusividade térmica dos nanofluidos, primeiramente, o conjunto experimental foi calibrado usando água destilada como líquido padrão. A difusividade térmica foi medida pelo ajuste do sinal PE de ln (amplitude) (Eq. (7)) e fase (Eq. (8)) versus o comprimento da cavidade. A média para água destilada foi (1,4460,011) × 10 ⁻³ cm ² / s, que difere em <1% da literatura [56]. A Figura 7 mostra os gráficos lineares da amplitude logarítmica versus o comprimento da cavidade do Al ₂ O ₃ nanofluidos em diferentes tempos de irradiação de laser de 0 a 30 min em função do comprimento relativo da cavidade. As inclinações do sinal PE (ln (amplitude), fase e média) e os valores de difusividade térmica resultantes medidos no presente trabalho estão resumidos na Tabela 1.

Amplitude logarítmica típica em função do comprimento relativo da cavidade de Al ₂ O ₃ nanofluidos em diferentes tempos de irradiação [0, 10 e 30 min]

A difusividade térmica mostrou um aumento em comparação com o fluido de base. No entanto, para o nanofluido sem irradiação, a difusividade térmica foi (1,444 ± 0,008) × 10 ⁻³ cm ² / s, que era inferior ao fluido de base. Isso pode ser devido à baixa difusividade térmica do PVP nos nanofluidos. A difusividade térmica aumentou gradualmente em torno de 3-6% após a irradiação do laser, o que foi definido como um efeito do envelhecimento [56, 57]. O aumento da difusividade térmica com maior tempo de irradiação foi consequência da diminuição dos tamanhos dos aglomerados e aglomerados, devido à fragmentação das NPs maiores [7,8,9,10]. Geralmente, a densidade do número de partículas ou frações de volume das partículas aumentou e ficou evidente que a redução do tamanho das partículas aumentou os efeitos de mistura em nanoescala, como os movimentos brownianos [56]. Portanto, isso poderia ajudar a aumentar a difusividade térmica dos nanofluidos. Porém, o aumento do número de partículas na solução influenciou na taxa de fragmentação do laser, devido à atenuação da luz do laser no líquido em altas concentrações.

Em princípio, a interação entre o feixe de laser CW (em nosso experimento 10 ³ W / cm ² ) e o Al ₂ O ₃ os clusters são governados por efeitos térmicos que dependem das características da radiação laser e da natureza da partícula. Portanto, pesquisas consideráveis têm sido direcionadas para diminuir o tamanho das partículas usando vários lasers de nanossegundos (ns) e femtossegundos (fs) em execução em diferentes durações de pulso [13,14,15,16,17,18,19, 21, 25, 26,27]. Coincidentemente, exatamente o mesmo resultado foi obtido por meio de nossos experimentos. Como resultado dos nanofluidos, na irradiação do laser, o tempo afetou principalmente as partículas ao invés de seu tamanho. Isso foi provavelmente devido ao efeito da irradiação de laser na fragmentação das partículas aglomeradas para os NPs menores, aumentando assim a distribuição homogênea das partículas do Al ₂ O ₃ nanofluidos. 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].

Conclusões

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 O ₃ particles and enhancing the thermal diffusivity of the Al₂ O ₃ nanofluids. Modulated CW laser technique shows an enormous promise for accurate characterization of the particle size distribution of Al₂ O ₃ 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 O ₃ 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.