(Phys.org) -Een mengsel van diamanten nanodeeltjes en minerale olie presteert gemakkelijk beter dan andere soorten vloeistoffen die zijn gemaakt voor toepassingen met warmteoverdracht, Dat blijkt uit nieuw onderzoek van Rice University.

Rijstwetenschappers mengden zeer lage concentraties diamantdeeltjes (ongeveer 6 nanometer in diameter) met minerale olie om de thermische geleidbaarheid van de nanovloeistof te testen en hoe de temperatuur de viscositeit zou beïnvloeden. Ze vonden het veel beter dan nanovloeistoffen die grotere hoeveelheden oxide bevatten, nitride of carbide keramiek, metalen, halfgeleiders, koolstof nanobuisjes en andere composietmaterialen.

De Rice-resultaten verschenen deze week in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces .

Het werk dat toepassingen zou kunnen verbeteren waarbij controle van warmte van het grootste belang is, werd geleid door Pulickel Ajayan, voorzitter van de nieuwe afdeling Materials Science en NanoEngineering van Rice; Rijstalumnus Jaime Taha-Tijerina, nu een onderzoekswetenschapper bij Viakable Technology and Research Center in Monterrey, Mexico; en een onderzoeksmedewerker bij Carbon Sponge Solutions in Houston.

Thermische vloeistoffen worden gebruikt om slijtage aan componenten en gereedschappen te verminderen en voor machinale bewerkingen zoals stempelen en boren, medische therapie en diagnose, biofarmaceutica, airconditioning, brandstofcellen, krachtoverbrengingssystemen, zonnepanelen, micro- en nano-elektronische mechanische systemen en koelsystemen voor alles van motoren tot kernreactoren.

Vloeistoffen voor elke toepassing moeten het vermogen om te stromen in evenwicht te brengen met thermische transporteigenschappen. Dunne vloeistoffen zoals water en ethyleenglycol stromen gemakkelijk, maar geleiden de warmte niet goed, terwijl traditionele warmteoverdrachtsvloeistoffen kunnen worden beïnvloed door stabiliteit, viscositeit, oppervlaktelading, gelaagdheid, agglomeratie en andere factoren die de essentiële stroom beperken.

Onderzoekers zijn sinds eind jaren negentig op zoek naar efficiënte, aanpasbare nanovloeistoffen die een middenweg bieden. Ze gebruiken deeltjes van minder dan 100 nanometer in concentraties die laag genoeg zijn om de stroming niet te beperken, maar toch efficiënt gebruik te maken van hun warmteoverdrachts- en opslageigenschappen.

Nanodiamanten blijken tot nu toe het beste additief te zijn. Ze hebben de meeste eigenschappen die bulkdiamant zo uitstekend maken voor toepassingen met warmteoverdracht op macroschaal. Enkele diamantkristallen kunnen 100 keer beter warmtegeleidend zijn dan koper, terwijl ze nog steeds als een efficiënt smeermiddel werken.

"De geweldige eigenschappen van nanodiamant - smering, hoge thermische geleidbaarheid en elektrische weerstand en stabiliteit, onder andere - zijn behoorlijk indrukwekkend, " zei Taha-Tijerina. "We ontdekten dat we zeer kleine hoeveelheden konden combineren met conventionele vloeistoffen en buitengewoon thermisch transport konden krijgen zonder noemenswaardige problemen met de viscositeit."

Bij testen, de onderzoekers verspreidden nanodiamanten in minerale olie en ontdekten dat een zeer kleine concentratie - een tiende van een gewichtsprocent - de thermische geleidbaarheid van de olie met 70 procent verhoogde bij 373 kelvin (ongeveer 211 graden Fahrenheit). Dezelfde concentratie nanodiamant bij een lagere temperatuur verhoogde nog steeds de geleidbaarheid, maar met minder effect (ongeveer 40 procent bij 323 K).

Ze suggereerden een mechanisme dat enigszins lijkt op percolatie - maar misschien anders dan al het andere dat tot nu toe is gezien - vat krijgt als olie- en diamantmoleculen bij verhitting botsen.

"Brownse beweging en interacties tussen nanodeeltjes en vloeistof spelen een belangrijke rol, " zei Taha-Tijerina. "We hebben een verbetering van de thermische geleidbaarheid waargenomen met toenemende veranderingen in temperatuur en de hoeveelheid gebruikte nanodiamanten. De temperatuurafhankelijke variaties vertelden ons dat de veranderingen niet alleen te wijten waren aan het percolatiemechanisme, maar ook aan de Brownse beweging."