Wetenschappers van Rice University hebben een nano-geïnfuseerde olie gemaakt die het vermogen van apparaten zo groot als elektrische transformatoren en zo klein als micro-elektronische componenten om overtollige warmte af te voeren aanzienlijk zou kunnen verbeteren.

Onderzoek in het laboratorium van rijstmateriaalwetenschapper Pulickel Ajayan, dat verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano , zou de efficiëntie van dergelijke transformatoroliën met maar liefst 80 procent kunnen verhogen op een manier die zowel kosteneffectief als milieuvriendelijk is.

Het Rice-team onder leiding van hoofdauteurs Jaime Taha-Tijerina, een afgestudeerde student, en postdoctoraal onderzoeker Tharangattu Narayanan richtten hun inspanningen op transformatoren voor energiesystemen. Transformatoren zijn gevuld met minerale oliën die de wikkelingen binnenin koelen en isoleren, die van elkaar gescheiden moeten blijven om te voorkomen dat de spanning lekt of kortsluiting maakt.

De onderzoekers ontdekten dat een zeer kleine hoeveelheid hexagonale boornitride (h-BN) deeltjes, tweedimensionale neven van op koolstof gebaseerd grafeen, gesuspendeerd in standaard transformatoroliën zijn zeer efficiënt in het verwijderen van warmte uit een systeem.

"We hebben geen grote hoeveelheid h-BN nodig, " zei Narayanan. "We ontdekten dat 0,1 gewichtspercentage h-BN in transformatorolie het met bijna 80 procent verbetert."

"En bij 0,01 gewichtspercentage, de verbetering was ongeveer 9 procent, " zei Taha-Tijerina. "Zelfs met een zeer lage hoeveelheid materiaal, we kunnen de vloeistoffen verbeteren zonder afbreuk te doen aan de elektrisch isolerende eigenschappen."

Taha Tijerina, die in dienst was van een transformatorfabrikant in Mexico voordat hij naar Rice kwam, zei dat anderen die aan soortgelijke verbindingen werken, experimenteren met deeltjes aluminiumoxide, koperoxide en titaniumoxide, maar geen van de verbindingen heeft de combinatie van eigenschappen die wordt vertoond door h-BN.

Narayanan zei dat de h-BN-deeltjes, ongeveer 600 nanometer breed en tot vijf atoomlagen dik, goed verdelen in olie en, in tegenstelling tot sterk geleidend grafeen, zijn zeer goed bestand tegen elektriciteit. Met hulp van co-auteur Matteo Pasquali, een Rice hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering en scheikunde, het team stelde vast dat de viscositeit van de olie – een andere belangrijke eigenschap – minimaal wordt beïnvloed door de aanwezigheid van de nanodeeltjesvullers.

"Ons onderzoek toont aan dat met nieuwe materialen en innovatieve benaderingen, kunnen we enorme waarde toevoegen aan toepassingen die vandaag in de industrie bestaan, " zei Ajayan, Rice's Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson Professor in werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde. "Thermische beheersing is een groot probleem in de industrie, maar de juiste materiaalkeuze is belangrijk; voor transformatorkoeling, men heeft dispergeermiddelen nodig in oliën die warmte afvoeren, toch elektrisch isolerend blijven. Bovendien, de tweedimensionale aard van de vulstoffen houdt ze stabiel in oliën zonder lange tijd vast te zetten."