Aumento da Difusividade Térmica de Nanofluidos de Al₂O₃ Através de Fragmentação Fototérmica Induzida por Laser CW Modulado

Resumo

Lasers de onda contínua (CW) modulados desencadeiam resposta fototérmica que absorve luz rapidamente e gera ondas térmicas ao redor de nanoestruturas irradiadas. Neste estudo, exploramos como tal irradiação a laser influencia fragmentação de partículas e consequentemente melhora a difusividade térmica de nanofluidos de Al₂O₃. Um laser de diodo custo-efetivo (532 nm, 200 mW) foi usado para quebrar nanopartículas de Al₂O₃ aglomeradas dispersas em água deionizada. As ondas térmicas geradas pelo laser, governadas pela frequência de modulação e características ópticas/térmicas do nanofluido, foram brevemente resumidas. Espalhamento dinâmico de luz (DLS) e microscopia eletrônica de transmissão (MET) quantificaram os efeitos do tempo de irradiação no tamanho e distribuição de partículas, enquanto o método fotopiroelétrico (PPE) mediu a difusividade térmica. Resultados mostram que fragmentação parcial reduz tamanho de aglomerados em direção ao diâmetro intrínseco de 11 nm, resultando em distribuição de tamanho mais estreita. Correspondentemente, a difusividade térmica aumentou de 1,444 × 10⁻³ para 1,498 × 10⁻³ cm² s⁻¹ após 30 min de irradiação, demonstrando o potencial da fragmentação fototérmica para ajustar propriedades de transferência de calor de nanofluidos.

Fundamentação

Nanofluidos de óxidos metálicos, especialmente Al₂O₃, são valorizados por sua condutividade e difusividade térmica superiores comparados a fluidos base como água ou óleo. Seu desempenho, no entanto, é altamente sensível a tamanho, forma e estado de dispersão das partículas. Aglomerção degrada rapidamente propriedades térmicas, necessitando estratégias eficazes de dispersão. Fabricação baseada em laser emergiu como ferramenta versátil para gerar e modificar nanopartículas diretamente em meio líquido. Ajustando parâmetros do laser — comprimento de onda, duração de pulso, energia e taxa de repetição — pode-se influenciar tamanho e distribuição de partículas.

Enquanto lasers pulsados têm sido tradicionalmente usados para ablação e fragmentação, lasers CW oferecem vantagens em custo, tamanho e portabilidade. Lasers CW modulados, em particular, geram efeitos fototérmicos (PT) pronunciados e ondas térmicas (TWs) que podem quebrar aglomerados de partículas. Apesar de extensos estudos sobre síntese de nanopartículas induzida por laser, uma investigação detalhada do efeito PT de lasers CW modulados na difusividade térmica de nanofluidos de Al₂O₃ permanece ausente. Este trabalho preenche essa lacuna estudando sistematicamente a dinâmica de fragmentação e a resultante melhoria na transferência de calor.

Métodos

Preparação do Nanofluido

Nanopartículas de Al₂O₃ (11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) foram dispersas a 0,05 g por 25 mL água deionizada, com 1% v/v polivinilpirrolidona (PVP, PM ≈ 29 kDa) para estabilizar a suspensão. Após 1 h agitação e 30 min sonicação com sonda (VCX 500, 25 kHz, 500 W), a suspensão alcançou distribuição homogênea, verificada por DLS.

Fragmentação a Laser

Fragmentação foi realizada em cubeta de quartzo de 2 mL colocada sobre agitador magnético. Laser de diodo 532 nm, 200 mW (MGL 150(10)) foi focalizado em ponto de 0,1 mm (≈2,5 kW cm⁻²) e modulado a 10 Hz usando chopper óptico (SR540). Tempos de irradiação de 10 e 30 min foram aplicados. Pós-irradiação, MET (Hitachi H-7100) e DLS (Sympatec Nanophox) caracterizaram morfologia e distribuição de tamanho.

Medição de Difusividade Térmica

A técnica fotopiroelétrica (PPE), reconhecida por sua alta precisão, mediu a difusitividade térmica dos nanofluidos. Folha de cobre (50 µm) atuou como gerador piroelétrico, enquanto filme de PVDF de 52 µm serviu como detector. A onda térmica induzida pelo laser propagou-se através da amostra, gerando tensão proporcional à difusitividade térmica. Amplificador lock-in (SR 530) registrou amplitude e fase a 6,7 Hz, e dados foram ajustados usando método de varredura de cavidade (Equações 6-8) para extrair α.

Resultados e Discussão

Geração de Onda Térmica

Frequência de modulação afeta criticamente a amplitude de ondas térmicas. Simulações (Fig. 2) indicam frequência ótima em torno de 10 Hz, equilibrando amplitude de sinal e ruído. Absorção óptica, impulsionada por tamanho, forma e concentração de partículas, influencia diretamente a força da onda térmica. Nanofluidos Al₂O₃/água exibem absorção favorável, com até 13% da luz incidente absorvida — aumentada ainda mais por maior carregamento de nanopartículas.

Dinâmica de Fragmentação

Imagens MET (Fig. 5) mostram redução progressiva no tamanho de partícula: de 16,4 ± 7,8 nm (pré-irradiação) para 14,2 ± 5,4 nm após 10 min, e 12,0 ± 3,5 nm após 30 min. Dados DLS (Fig. 6) confirmam deslocamento para distribuição estreita e monodispersa, com diâmetros hidrodinâmicos diminuindo de ~90 nm para ~91 nm após irradiação. Fragmentação satura próximo a 30 min, conforme partículas atingem tamanho crítico onde ablação induzida por absorção adicional diminui.

Aumento da Difusividade Térmica

Calibração contra água destilada resultou em α = 1,446 × 10⁻³ cm² s⁻¹ (dentro de 1% da literatura). α do nanofluido aumentou de 1,444 ± 0,008 × 10⁻³ cm² s⁻¹ (sem irradiação) para 1,498 ± 0,012 × 10⁻³ cm² s⁻¹ após 30 min (Fig. 7). O aumento de 3-6% reflete movimento browniano aprimorado e tamanho de aglomerado reduzido, que promovem transferência de calor eficiente das partículas para o fluido base. A difusividade térmica melhorada ressalta a eficácia da fragmentação fototérmica por laser CW modulado como estratégia prática para otimização de nanofluidos.

Conclusões

Irradiação por laser CW modulado fragmenta eficientemente aglomerados de Al₂O₃, produzindo distribuição de tamanho estreita e aumentando difusividade térmica em até 6% dentro de 30 min. Esta abordagem de baixo custo e escalável demonstra a viabilidade de fragmentação fototérmica para ajustar desempenho de transferência de calor de nanofluidos, com implicações para trocadores de calor industriais, resfriamento de eletrônicos e terapias médicas.