خواص و کاربرد نانوسیالات

تحقیقات مختلف نشان داده‌اند که ضریب انتقال جرم و حرارت نانوسیالات در مقایسه با سیالات پایه بیشتر هستند و این سبب کاربرد این نوع سیالات در زمینه‌های گوناگون از جمله صنعتی و پزشکی می‌شود. اگرچه به صورت دقیق‌تر مشخص نشده است که مکانیسم افزایش انتقال جرم و انتقال حرارت بوسیله نانوسیالات چگونه است اما با بررسی خواص نانوسیالات از جمله ضریب هدایت حرارتی، چگالی، ویسکوزیته و ضریب نفوذ نظریه‌هایی بیان شده‌اند. در این مقاله خواص نانوسیالات و کاربرد‌های عمده آنها بحث می‌شود.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- خواص نانوسیالات
1-1- ضریب هدایت حرارتی
2-1- ویسکوزیته
3-1- گرمای ویژه
4-1- ضریب نفوذ
2- کاربردهای نانو سیال
1-2- انتقال حرارت در نانو سیالات
1-1-2- نانوسیالات و کامیون های پیشرفته
2-1-2- نانوسیالات فلزی و موتورهای خنک‌کننده
2-2- کاربرد نانوسیالات در پزشکی
1-2-2- انتقال دارو
2-2-2- مهندسی بافت
3-2-2- انتقال حرارت در پزشکی
بحث و نتیجه گیری

چهار خاصیت ترموفیزیکی سیال وجود دارد که با افزودن نانوذرات به سیال پایه، مقدارشان تغییر می کند. این خواص عبارتند از: چگالی، ویسکوزیته، ضریب هدایت حرارتی و گرمای ویژه. محققان مختلف نظرات متفاوتی در مورد اثر افزودن نانوذرات بر روی مقادیر این خواص بیان کرده‌اند اما به طور کلی افزودن نانوذرات باعث افزایش این خواص به جز گرمای ویژه می شود که این خاصیت با افزودن نانوذرات کاهش می‌یابد. درصد این افزایش به عوامل مختلفی از جمله درصد حجمی نانوذرات، خواص نانوذرات، خواص سیال پایه و دما بستگی دارد. نانوسیالات به دلیل این خواصشان کاربردهای زیادی پیدا کرده اند که سبب شده بررسی این خواص از اهمیت خاصی برخوردار باشد. همچنین به علت اینکه این خواص به غلظت نانوذرات در سیال پایه بستگی دارند، با تغییر غلظت نانوذرات، خواص نانوسیال قابل تنظیم است.

ضریب هدایت حرارتی یکی از مهم ترین عواملی است که برای مطالعه انتقال حرارت بررسی می شود. مروری بر تحقیقات موجود نشان می دهد که افزودن درصد کمی از نانوذرات باعث افزایش چشمگیر ضریب هدایت حرارتی نانوسیال نسبت به سیال پایه می شود[4-1]. هم چنین ضریب هدایت حرارتی نانوسیال به پارامترهایی از جمله: ترکیب درصد شیمیایی نانو ذرات و نانو سیال، درصد حجمی نانو ذرات، شکل و اندازه ذرات، مواد فعال سطحی، دما و … بستگی دارد [4،5].
مکانیسم هایی که برای افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوسیالات ارائه می شود به این صورت است که:
الف – به علت حرکت براونی نانوذرات درون سیال، اختلاط در سیال افزایش پیدا کرده و در واقع انتقال حرارت آسان تر صورت گرفته و ضریب هدایتی افزایش می یابد.
ب- اگر چه حرکت براونی مهم است اما در درجه اول کوپل شدن بین ذرات مسئول افزایش ضریب هدایتی می‌باشد. به این‌صورت که نانوذرات به هم چسبیده و زنجیره هایی ایجاد می کنند که انتقال حرارت از طریق این زنجیرها سریع تر صورت می گیرد (چون نانوذرات اصولا از جنس فلزات یا اکسید فلزات هستند که ضریب هدایتی آنها در مقایسه با سیالات پایه مثل آب یا روغن بیشتر است).
تئوری های مختلفی از جمله تئوری ماکسول، مدل همیلتون-کراسر، براگمن و… برای محاسبه ضریب هدایت حرارتی نانوسیال پیشنهاد شده است که مدل براگمن، پیش بینی بهتری نسبت به مدل های دیگر، مخصوصا برای ذرات کروی دارد [5]:

(1)                                                                   

(2)                                               

در معادلات بالا k_nf، k، k_s و ∅ به ترتیب ضریب هدایت حرارتی نانوسیال، ضریب هدایت حرارتی سیال پایه، ضریب هدایت حرارتی جامد و کسر حجمی نانوذرات هستند.
باید به این نکته توجه کرد که این تئوری ها کامل نیستند. سوروش و همکارانش [5] به این نتیجه رسیدند که این پیش بینی ها در مقایسه با اندازه گیری ها مقدار کمتری را نشان می دهند و دلیل این مشاهدات به این نکته بر می گردد که در این مدل ها اثرات اندازه ذرات و نیرو های بین مولکولی اعمال نمی شود.
در طول سال های گذشته محققان چندین روش آزمایشگاهی را برای اندازه گیری ضریب هدایت حرارتی پیشنهاد کرده اند. رایج ترین روش ها برای اندازه گیری ضریب هدایت حرارتی عبارتند از: روش سیم داغ گذرا THW Transient hot- wire technique، روش سطوح موازی پایا (Steady- state parallel-plate method)، روش استوانه ای (cylindrical cell method)، روش نوسان دمایی (temperature oscillation method) و روش 3-امگا (3-omega method).

در مقایسه با ضریب هدایت حرارتی، تحقیقات کمتری در مورد ویسکوزیته نانوسیالات صورت گرفته است. پژوهش های مختلف نشان دادند که ویسکوزیته نانوسیالات بیشتر از سیالات پایه است. ویسکوزیته نیز مانند ضریب هدایتی به درصد حجمی نانوذرات بستگی دارد و با درصد حجمی رابطه مستقیم دارد[6،7]. مدل های تئوری مختلفی برای محاسبه ویسکوزیته نانو سیالات ارائه شده اند که در جدول 1 مشاهده می شود.

جدول 1- تئوری های مختلف برای محاسبه ویسکوزیته [6]

برای محاسبه گرمای ویژه دو مدل ارائه شده است [6]:

در مدل های بالا c ،c_bf ، ρ و ∅ به ترتیب گرمای ویژه نانوسیال، گرمای ویژه سیال پایه، چگالی سیال پایه و کسرحجمی نانوذرات هستند. برای محاسبه گرمای ویژه می توان از این دو مدل استفاده کرد و نیازی به اندازه‌گیری تجربی نمی باشد.

برای ضریب نفوذ گازها در نانوسیال تا به امروز رابطه ای توسط محققان ارایه نشده است. مطالعات انجام شده در زمینه ضریب نفوذ نانوسیالات نشان دهنده ی تناقض زیادی است. برخی محققان مشاهده کردند که ضریب نفوذ در حضور نانوذرات افزایش می یابد. این رفتار به این صورت توجیه شد که به علت حرکت براونی نانوذرات، در لایه های اطراف نانوذرات اغتشاش ایجاد می شود که سبب ایجاد یک حرکت همرفتی در مقیاس کوچک می شود و ریزهمرفت ها به بهبود نفوذ کمک می کنند [8]. نتایج مطالعات دیگر محققان نشان داد که ضریب نفوذ نانوسیالات نسبت به سیال پایه کمتر است. دلیل این رفتار به این صورت توجیه شد که حضور نانوذرات سبب پیچیدگی مسیر نفوذ شده و در نتیجه نفوذ را کم می کند. درصورتی که از درصد جرمی پایین نانوسیال استفاده می شود فرض می شود نانوذرات اثری روی ضریب نفوذ نداشته  باشند [9].

نانوسیالات کاربردهای زیادی دارند. کاربرد نانوسیالات به دو بخش انتقال حرارت و انتقال جرم تقسیم می‌شود. بیشتر کاربردهای صنعتی نانوسیالات مربوط به مباحث سرمایش و گرمایش است که زیر مجموعه انتقال حرارت است و کاربرد نانوسیالات در بخش انتقال جرم بیشتر مربوط به مباحث دارویی و پزشکی است، به عنوان مثال می توان از نانوسیالات برای فرستادن دارو در مکان خاصی از بدن با دوز بالا استفاده کرد بدون اینکه به بافت آسیب برسد.
در واقع اندازه این مواد است که چنین تفاوتی در خواص آن ها ایجاد می کند و ویژگیهای کاملا متفاوت از سیال پایه خود دارند. خواص استثنایی نانوسیالات شامل انتقال جرم، هدایت حرارتی، ویسکوزیته بیشتر نسبت به سوسپانسیون‌های معمولی است. خواص استثنایی، به همراه پایداری، روش تهیه نسبتاً آسان و ویسکوزیته قابل قبول باعث شده تا نانوسیالات به عنوان یکی از مناسب‌ترین و قوی‌ترین انتخاب‌ها در زمینه پدیده های انتقال جرم وانتقال حرارت باشند.
هرچند نانوسیالات ساخته دست بشر هستند ولی نکته جالب اینجاست که نانوسیالات در طبیعت وجود دارند و مهمترین نانوسیالی را که در طبیعت یافت می شود خون، به عنوان یک کمپلکس از نانوسیال بیولوژیکی است [10].

یکی از نیازهای اساسی در بسیاری از صنایع و کارهای تحقیقاتی داشتن محیط های انتقال حرارت با راندمان بالا است. سرمایش و گرمایش سیالات برای بسیاری از فرآیندهای صنعتی شامل منابع حرارتی ، فرآیندهای تولیدی، حمل و نقل و الکترونیک نقش مهمی دارد و روش های زیادی برای افزایش نرخ انتقال حرارت در این فرآیندها گزارش شده اند.
بیشتر این روش ها بر مبنای تغییرات در ساختار تجهیزات، نظیر افزایش سطوح حرارتی (پره ها) ، لرزش سطوحی حرارتی، تزریق یا مکش سیال و اعمال جریان الکتریکی یا مغناطیسی متمرکز می باشند. این روش ها به سختی می توانند از عهده تقاضای روز افزون انتقال حرارت و فشرده سازی در تجهیزاتی شامل تراشه های الکترونیکی، سیستم های لیزری و فرآینده های با انرژی بالا برآیند. در این میان موضوعی که کمتر به آن توجه شده است، تاثیر ضریب انتقال حرارت سیالات در توسعه تجهیزات انتقال حرارت با بازدهی بالاست. محیط های انتقال حرارت معمولا از سیالاتی نظیر آب،اتیلن گلیکول یا روغن تشکیل شده اند. این سیالات ضریب انتقال حرارت بسیار پایینی در مقایسه با فلزات و حتی اکسیدهای فلزی دارند. بنابراین انتظار می رود سیالاتی که شامل ذرات بسیار ریز این ترکیبات باشند در مقایسه با سیالات خالص، خواص حرارتی بهتری از خود نشان دهند.
به خاطر مشکلات تکنولوژیکی مطالعات انجام گرفته در این زمینه بیشتر بر روی سوسپانسیون هایی متمرکز بوه که شامل ذرات جامد معلق در حد میلی متر یا حداکثر میکرومتر هستند.ذرات در این مقیاس مشکلات جدی در تجهیزات انتقال حرارت ایجاد می کنند. به طوری که این ذرات به سرعت در سیستم ته نشین می شوند و در صورتیکه کانال از قطر کمتری برخوردار باشد مشل جدی تر خواهد بود. به طور مثال در هنگام عبور از میکروکانال های کلوخه شده و باعث گرفتگی مسیر می گردند که در نتیجه افت فشار زیادی ایجاد می کنند،همچنین برخورد این ذرات با یکدیگر و با دیواره سیستم و تجهیزات ایجاد سایش می کند [11].
پیشرفت های اخیر در تولیدات ذرات نانو را می توان یک تحول در روش های افزایش انتقال حرارت دانست زیرا اندازه کوچک ذرات و کسر حجمی پایین مورد استفاده مسائلی نظیر کلوخه شدن و افت فشار را حل می کند. علاوه بر این سطح نسبی بزرگ ذرات نانو،پایداری ذرات را افزایش داده و مسئله ته نشینی را کاهش می دهد و هزینه های لازم برای نگه داری و انتقال سیالات را کم می کند. در جدول 1 برخی از کاربردهای نانوسیالات در بخش انتقال حرارت آورده شده است.

جدول 2- کاربرد های نانوسیالات در زمینه های مختلف [12]

زمینه کاری	کاربرد
الکترونیک	خنک سازی تجهیزات و دیود های لیزری توان بالا، خنک سازی تراشه ها و نیمه رساناها
صنعت خودرو	خنک سازی موتور، سیال تابشی، سیال سیستم تعلیق فرمان،کلاچ ها،روغن موتور،سیال ترمز،روغن روانساز و گریس ها
تولید نیرو	خنک سازی مبدل ها
کاربرد هسته ای	مبرد اولیه در راکتورهای آب تحت فشار(PWR) و سیستم های ایمنی سریع
انرژی های تجدید پذیر	برای افزایش انتقال حرارت و حجم انرژی دریافتی از جمع کننده های خورشیدی
HVAC	راندمان گرمایشی/سرمایشی انرژی ساختمان ها بدون افزایش توان پمپ در سیستم های حرارتی و تهویه مطبوع
ساخت و تولید	خنک سازی و روغن کاری تیغه مته ها، چرخ سنگ زنی، خنک سازی تجهیزات جوش
دفاعی	خنک سازی تجهیزات الکترونیکی و سلاح ها، خودرو های جنگی و زیردریایی ها

به علت نیاز به موتورهایی با نیروی بیشتر، تولید کنندگان کامیون دائماً در جستجوی راه‌هایی برای گسترش طرح‌های آیرودینامیک در وسایل نقلیه‌شان هستند. از جمله تلاش‌ها در این زمینه معطوف به کاهش مقدار انرژی مورد نیاز جهت مقابله با مقاومت‌های بالا می‌باشد. در یک کامیون سنگین معمولی، با سرعت 110 کیلومتر در ساعت، در حدود 65 درصد کل بازده موتور، صرف غلبه بر کشش‌های آیرودینامیک می‌شود که یکی از دلایل بزرگ این امر مقاومت هوا می‌باشد. در سیستم‌های خنک کننده، با توجه به نوع سیال مورد استفاده رادیاتورهای متفاوتی مورد نیاز است. جهت انتقال حرارت از موتور به رادیاتور و در نهایت آزاد شدن این حرارت به محیط اطراف، به کارگیری سیالات با ظرفیت‌های گرمایی بالا ضروری می‌باشد. این سیالات قادرند بدون افزایش دمای خودشان حرارت را جذب و سپس آن را بسیار آهسته و بدون نیاز به مقدار سیال بیشتر به محیط اطراف منتقل نمایند که این انتقال آهستۀ گرما به محیط، موجب بزرگی اندازۀ رادیاتورهای وسایل نقلیه معمولی می‌شود.
اگر سرعت انتقال حرارت توسط سیالات به‌گونه‌ای افزایش یابد، طراحی رادیاتورها آسان و مؤثرتر شده و می‌توان آنها را کوچکتر ساخت. همچنین اندازۀ پمپ‌‌های خنک کنندۀ وسایل نقلیه می‌تواند کاهش یابد. موتورهای کامیون‌ها نیز می‌توانند به علت کارکردن تحت دماهای بالاتر نیروی بیشتری تولید نمایند. افزایش هدایت گرمایی خنک‌کننده‌ها نیز می‌تواند ایده‌ای مناسب برای تولید پیل‌های سوختی پیشرفته و وسایل نقلیۀ دوگانه سوز/الکتریکی باشد [3] .

ویژگی‌های موتورهای دیزلی از نظر محدودیت در واکنش‌ها و راندمان کار به سرعت در حال دگرگون شدن است. سیستم‌های خنک‌کننده باید بتوانند تحت دماهای بالاتر کار کرده و مقادیر بیشتری گرما به محیط اطراف منتقل کنند. اندازۀ رادیاتورها نیز باید کاهش یابد تا تجهیزات اضافی اتوموبیل ها حذف شده و رفت‌و‌آمد با آنها ساده‌تر گردد. به‌طور واقع‌بینانه، محصور کردن نیروی خنک‌کنندۀ بیشتر در فضای کمتر، تنها با به کار بردن فناوری‌‌های جدیدی مانند نانوسیالات ممکن خواهد بود [13].

نانوپزشکی همان استفاده پزشکی از فناوری نانو است. دامنه نانوپزشکی از کاربردهای پزشکی نانومواد تا حسگرهای زیستی نانوالکترونیکی و حتی کاربردهای احتمالی آتی از فناوری نانومولکولی را شامل می شود.

فناوری نانو با استفاده از نانوذرات امکان انتقال دارو به سلولهای خاص را فراهم کرده است. با گذاشتن عامل فعال تنها در منطقه بیماری و نه به میزان دوز بالاتر از حد نیاز، امکان کاهش مصرف کلی دارو و عوارض جانبی آن تا حد قابل توجهی وجود دارد. مقصود از دارورسانی هدفمند کاهش عوارض جانبی داروها همراه با کاهش همزمان مصرف و هزینه های درمانی می باشد. با استفاده از دستگاههای نانومهندسی شده و هدف گیری مولکولی امکان حصول بالقوه هدف وجود دارد. یک مزیت استفاده از مقیاس نانو برای فناوری های پزشکی این است که دستگاه کوچکتر، از حالت تهاجمی کمتری برخوردار است و احتمالا امکان کار گذاشتن آنها در محیط طبیعی وجود دارد. به علاوه زمان واکنش های بیوشیمایی بسیار کوتاه تر می شود. این دستگاهها سریع تر و حساس تر از دارو رسانی معمولی هستند. تاثیر دارورسانی از طریق نانو پزشکی تا حد زیادی مبتنی بر این عوامل می باشد: الف) کپسولی سازی موثر داروها، ب) دارورسانی موفقیت امیز به ناحیه هدف واقع شده در بدن، ج)رها سازی موفقیت آمیز دارو [14].

نانوپزشکی ممکن است با استفاده از بدنه های مبتنی بر نانومواد مناسب و عوامل رشد به عنوان بخشی از مهندسی بافت جهت کمک به تولید مثل و یا تعمیر بافت آسیب دیده مورد استفاده قرار گیرد. نانوذراتی مثل گرافن، نانولوله های کربنی، دی سولفید مولیبدن و دی سولفید تنگستن به عنوان عوامل تقویتی برای ساخت نانوکامپوزیتهای محکم مکانیکی زیست تخریب پذیر برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان استفاده می شوند. به عنوان مثال ثابت شده است که یک جوش دهنده گوشت برای ترکیب کردن دو قطعه گوشت به یک قطعه، از یک سیستم تعلیق نانو پوسته هایی با پوشش طلای فعال شده توسط یک لیزر مادون قرمز استفاده می کند. این می تواند برای جوش دادن شریانها در طول عمل جراحی استفاده شود [14].

استفاده از نانوسیالات به عنوان خنک کننده های مؤثر در جراحی یک عضو خاص، سبب کاهش خطر آسیب عضو و عمل جراحی امن تر شده و شانس زنده ماندن بیمار افزایش می یابد. همچنین نانوسیالات می توانند با ایجاد حرارت بالا در اطراف تومور به کشتن سلولهای سرطانی بدون تاثیر بر سلول های سالم اطراف بپردازند [15].

در نانوسیالات به علت کوچک بودن ذرات، به مقدار زیادی مشکلات ناشی از خوردگی، ناخالصی و افت فشار را کاهش و پایداری سیالات در مقابل رسوب گذاری بهبود چشمگیری می یابد. به دلیل بالا بودن ضریب هدایتی نانوذرات، با توزیع در سیال پایه باعث افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال می شوند که یکی از پارامترهای اساسی انتقال حرارت محسوب می‌شود. همچنین نانو ذرات سبب بهبود انتقال جرم نیز می شوند اما تاکنون مکانیسم دقیق این پدیده مشخص نشده و تحقیقات بیشتری لازم است. با توجه به خواص منحصر به فرد نانوسیالات، کاربردهای بسیاری دارند و از مهم ترین آنها استفاده در بخش انتقال حرارت است و پزشکی می باشد.