Nanotuburi de Carbon

Prefaţă

Ideea de fundament care a stat la baza realizării acestui proiect a fost intenţia de a contura o privire de ansamblu asupra domeniului nanomaterialelor şi nanotehnologiilor.

Fiind domenii de maxim interes în momentul actual, credem că este benefică o asemenea lucrare care să-i familiarizeze pe cei interesaţi de acest subiect cu cele mai noi informaţii cu privire la ştiinţa, tehnologiile şi mai ales aplicaţiile conceptului nano.

Într-o lume în care procesul de globalizare, realizat mai ales prin descoperiri ştiinţifice şi tehnologice de vârf, reprezintă un proces inevitabil şi ireversibil în evoluţia civilizaţiei umane, prin care toate ţările trebuie să-şi evalueze şi elaboreze strategii proprii cu ajutorul cărora să reuşească să creeze standarde de dezvoltare sustenabile din punct de vedere economic, social şi uman, nanoştiinţa reprezintă fără îndoială cheia de boltă a ceea ce înseamnă dezvoltarea actuală şi poate şi viitoare a civilizaţiei umane, oferind adevărate provocări, oportunităţi şi implicaţii în conceptele ştiinţifice de azi, în posibilităţile tehnologice de mâine şi mai ales în inimaginabilele, până ieri, aplicaţii ale viitorului.

Iată de ce, având un subiect atât de actual, lucrarea de faţă şi-a propus să aducă în atenţia masteranzilor, adică a inginerilor specialişti informaţii generale privitoare la acest domeniu emergent şi pluridisciplinar, capabile să răspundă interesului oricărei direcţii şi specializări tehnice şi ştiinţifice care are tangenţă cu acest domeniu.

Lucrarea este structurată astfel: primul capitol, cel de introducere în conceptele de bază ale nanoştiinţei, nanotehnologiei şi nanomaterialelor, prezintă definiţii, semnificaţii şi implicaţii, caracteristici generale şi clasificări ale acestor aspecte; capitolele doi şi trei prezintă instrumentaţia si etapele experimentului; capitolul patru prezintă rezultatele experimentului. De asemenea, se prezintă aspectele sociale, legate de factorii benefici ce decurg din aceste aplicaţii, dar şi de posibilii factori de risc şi toxicitate ce pot apărea şi care trebuiesc luaţi în considerare.

Prin structura şi conţinutul său, sperăm ca această lucrare să fie utilă şi capabilă, în acelaşi timp, să contureze o imagine generală a ceea ce înseamnă domeniul nanomaterialelor şi nanotehnologiilor şi mai ales a faptului că reprezintă o problematică deosebit de complexă, cu multe implicaţii şi posibilităţi de dezvoltare.

1. Nanofluide

1.1. Concept

"Nanofluid" este numele conceput de Argonne National Laboratory pentru a descrie un fluid care conţine suspensii de particule solide de dimensiuni nanometrice.

S-a demonstrat recent că nanofluidele au proprietatea de a îmbunătăţii transferul termic al lichidelor. De-a lungul timpului au fost identificate mai multe comportamente caracteristice ale nanofluidelor cum ar fi: posibilitatea de a obţine creşteri importante a conductivităţii termice, comparativ cu lichidele fără nanoparticule; puternice efecte dependente de temperatură, şi creşteri semnificative ale fluxului termic critic. Comportamentul observat este în multe cazuri anormal în ceea ce priveşte prezicerile teoriilor macroscopice existente, indicând necesitatea unei noi teorii care să ofere o explicaţie adecvată privind caracteristicile unice ale nanofluidelor. Au fost iniţiate studii teoretice privind posibile mecanisme ale transferului de căldură, însă, până în prezent obţinerea unei înţelegeri la nivel atomic şi la scară micro a modalităţii de transfer a căldurii la nanofluide rămâne cea mai mare provocare care trebuie depăşită pentru a realiza potenţialul maxim al acestei clase noi de fluide cu transfer de căldură.

Transferul de căldură este unul dintre cele mai importante provocări tehnologice, întâlnit în diverse industrii incluzând microelectronica, transportul, fabricarea diverselor componente şi metrologia. Evoluţia în aceste domenii conduce la o creştere a sarcini termice ce trebuie îndepărtată. Pentru a creşte performanţele, metoda convenţională presupune o suprafaţă de contact cât mai mare, fapt pentru care sunt folosite nervurile şi microcanalele. Totuşi, metodele convenţionale au ajuns aproape de limita lor actuală de proiectare, de aceea trebuie schimbată direcţia de cercetare şi asupra agenţilor de răcire. Astfel au apărut nanofluidele, o nouă clasă de materiale compozite de tip solid-lichid, compusă din nanoparticule cu dimensiuni între 1 şi 100 nanometri, dispersate într-un agent termic. În ultimi ani nanofluidele au atras un mare interes asupra lor datorită proprietăţilor termice mult îmbunătăţite. Spre exemplu, o mică cantitate (mai puţin de 1% volum) de nanoparticule de cupru sau nanotuburi de carbon dispersate în etilenglicol sau ulei pot creşte conductivitatea lor naturală cu 40%, respectiv 150% [1.1] [1.2]. Suspensiile convenţionale de particule necesită o concentraţie mare de peste 10% pentru o asemenea îmbunătăţire, dar sunt afectate de probleme reologice şi de stabilitate ce împiedică răspândirea acestora. În unele cazuri nanofluidele au demonstrat conductivitatea lor termică cu un ordin de magnitudine mai bun decât cel anticipat de teoriile convenţionale. Alte rezultate impresionante sunt legate de puternica dependenţă a temperaturii de conductivitatea termică [1.3] [1.4] şi o triplare a fluxului termic critic faţă de cel al fluidului de bază [1.5] [1.6].

Proprietăţile termice superioare ale nanofluidelor prezintă un interes promiţător pentru aplicaţiile de răcire bazate pe nanotehnologii, incluzând agenţi de răcire cu conductivitate termică foarte mare, lubrifianţi, fluide hidraulice şi lichide pentru tăierea metalelor. Nanofluidele oferă numeroase beneficii, printre care rate de răcire ridicate, scăderea puterii necesare la pompe, sisteme de răcire mai mici şi mai uşoare şi rezistenţă îmbunătăţită la uzură. În plus nanofluidele sunt în curs de dezvoltare pentru aplicaţii medicale, la terapia împotriva cancerului.

1.2. Studii Pre-Nano a particulelor în lichide

Agenţi termici convenţionali au proprietăţi conductive termice slabe în comparaţie cu solidele. Spre exemplu conductivitatea termică a cuprului la temperatura camerei este de circa 700 de ori mai mare decât a apei, şi de circa 3000 de ori mai mare decât a uleiului de motor. Conductivitatea termică a nanotuburilor de carbon cu mai mulţi pereţi la temperatura camerei este de aproximativ 20000 de ori mai mare decât a uleiului de motor.

S-au efectuat numeroase studii teoretice şi experimentale despre conductivitatea termică eficientă a suspensiilor solid-lichid de când studiul teoretic al lui Maxwell a fost publicat. Până de curând, aceste studii despre conductivitatea termică a suspensiilor se limitaseră la particule de dimensiuni milimetrice sau micrometrice. Problema practică majoră cu acest tip de suspensii este că particulele se sedimentează rapid în soluţie. Mai mult, suspensiile tradiţionale solid-lichid care conţin particule de dimensiuni milimetrice sau micrometrice nu funcţionează cu tehnologiile miniaturizate în curs de dezvoltare deoarece pot astupa canalele minuscule ale acestor dispozitive. Aceste dificultăţi au constituit motivaţia pentru dezvoltarea nanofluidelor, în timp ce progresele recente în tehnicile de sintetizare a nanoparticulelor au făcut posibilă această dezvoltare. În astfel de nanofluide, nanoparticulele rămân suspendate pe perioade mai lungi decât particulele mai mari şi, sub o dimensiune-prag, rămân în suspensie un timp aproape nedefinit în ciuda diferenţelor substanţiale dintre densitatea nanoparticulelor şi fluid.