Cosa sono i Nanofluidi e quali sono le loro possibili applicazioni?

Oggi più che mai, il raffreddamento è una vera e propria necessità nelle diverse tecnologie industriali a causa degli elevati carichi termici generati sia a livello microscopico (processori di computer) sia a livello macroscopico (motori di automobili). Comunque, i fluidi normalmente utilizzati nel raffreddamento, come
aria, acqua, glicole etilenico e olio presentano delle basse conducibilità termiche se confrontate con quelle dei solidi.

Lo studio finalizzato ad aumentare le basse conduttività termiche dei liquidi mediante l’aggiunta di particelle solide iniziò più di un secolo fa, quando il grande scienziato James Clerk Maxwell sviluppò un modello teorico della conduttività elettrica di sistemi eterogenei di particelle solide. Da quel momento, il modello di Maxwell è stato applicato per studiare la conduttività termica di miscele di particelle solide e liquidi. È necessario dire che tutti questi studi sono stati limitati a particelle di dimensioni millimetriche e micrometriche.

Il maggior problema nell’uso di particelle micrometriche per modificare le caratteristiche di scambio termico dei liquidi è legato al fatto che queste si depositano rapidamente; inoltre presentano anche degli effetti secondari come: abrasione, otturazione dei canali ed elevate perdite di carico.

Per ottenere dei miglioramenti apprezzabili della conducibilità termica delle sospensioni si devono introdurre elevate concentrazioni di particelle. Questi problemi hanno bloccato l’utilizzo delle normali sospensioni solido-liquide come fluidi termovettori.
Nonostante gli enormi sforzi perpetrati, le barriere tecnologiche finora descritte sono rimaste tali per più di 100 anni. Fortunatamente, le moderne tecnologie possono produrre particelle metalliche e non-metalliche di dimensione nanometrica. I materiali nanometrici presentano delle proprietà meccaniche, ottiche,
elettriche, magnetiche e termiche che possono ritenersi uniche.

I nanofluidi sono una nuova classe di fluidi termovettori che si basa sulle nanotecnologie e sono ottenuti disperdendo e stabilizzando delle nanoparticelle con dimensioni tipiche dell’ordine di 10 nm in tradizionali fluidi termovettori.

Nanofluidi (dall’anglosassone Nanofluids: Nanoparticle fluid suspensions) è il nome coniato da Choi (1995) per descrivere questa nuova classe di fluidi termovettori sviluppati con le nanotecnologie che esibisce delle proprietà termiche superiori a quelle dei fluidi di base o a quelle delle convenzionali sospensioni di particelle in liquidi.

L’obiettivo dei nanofluidi è di raggiungere le più elevate proprietà termiche disperdendo nel fluido base, in maniera uniforme e stabile, la più piccola concentrazione (preferibilmente <1%) di nanoparticelle (preferibilmente <10 nm). Per raggiungere questo obiettivo è fondamentale comprendere come le
nanoparticelle migliorano le proprietà termiche dei liquidi.

Da quando Choi ha introdotto il nuovo concetto di nanofluidi nella primavera del 1993, molti talentuosi scienziati hanno raggiunto importanti scoperte scientifiche riguardanti inaspettate proprietà termiche dei nanofluidi, ma anche hanno sviluppato dei modelli per nanofluidi e identificato delle inusuali opportunità di sviluppare i futuri fluidi termovettori per il raffreddamento di diverse applicazioni, dai computer agli impianti nucleari, proponendo nuove interpretazioni dei motivi per i quali si verificano questi miglioramenti.

Come risultato, la ricerca sui nanofluidi sta ricevendo una sempre crescente attenzione a livello mondiale come è evidente dalla crescita esponenziale delle pubblicazioni scientifiche, che dal 1993 ad oggi hanno già superato le 2400.

Molte combinazioni di nanoparticelle e fluidi base possono dare origine a diversi nanofluidi. Le particelle nanometriche possono essere:

• Ossidi ceramici – Al2O3, CuO
• Carburi metallici– SiC
• Nitruri – AlN, SiN
• Metalli – Al, Cu
• Non-metalli – Grafite e nanotubi in carbonio
• Layered – Al + Al2O3, Cu + C
• PCM – S/S
• Altre nanoparticelle per particolari applicazioni

mentre i fluidi base includono:

• Acqua
• Glicoli etilenici o tri-etilenici e altri fluidi
• Oli e lubrificanti
• Bio-fluidi
• Soluzioni polimeriche
• Altri fluidi comuni

Ci sono due metodi principali per preparare i nanofluidi: “two-step” (due-stadi) e “one-step” (uno-stadio). Il metodo “two-step” è quello più utilizzato: le nanoparticelle, nanofibre, nanotubi o altri nanomateriali usati da questo metodo sono dapprima prodotti come polveri attraverso dei metodi chimici o fisici (firststep). Successivamente, le polveri nanometriche saranno disperse nel fluido mediante agitazione magnetica, ad ultrasuoni, miscelamento ad alto-sforzo, omogeneizzazione e macinazione. Il metodo “twostep” è quello più economico per produrre nanofluidi in larga scala, perché i processi di sintesi di nanopolveri sono già stati industrializzati. Le nanoparticelle presentano un’elevata attitudine ad aggregarsi per effetto dell’elevata superficie di contatto e per le loro caratteristiche chimiche. È quindi molto difficile produrre dei nanofluidi stabili, per questo, nuove tecniche sono state sviluppate, tra cui il metodo “onestep”.

Il processo denominato “one-step” consiste nella simultanea produzione e dispersione delle particelle nel fluido. In questo metodo, i processi di deumidificazione, immagazzinamento, trasporto e dispersione delle nanoparticelle sono evitati; quindi anche l’agglomerazione delle nanoparticelle è minimizzata e la stabilità del fluido è migliorata. Il metodo “one-step” permette di preparare delle dispersioni stabili e uniformi di nanoparticelle.

Sfortunatamente, il processo fisico “one-step” non può sintetizzare nanofluidi in larga scala ed è anche molto costoso; per questo motivo si sta rapidamente sviluppando, assieme ad altre tecniche, un metodo “one-step” alternativo (chimico). Un esempio di nanofluido preparato con il metodo “one-step” è riportato
in Figura 1.

Figura 1: Esempio di nanoparticelle di rame prodotte con evaporazione diretta in glicole etilenico. Metodo “one-step”

Figura 2: Nanofluidi contenenti Nano-Tubi di Carbonio (CNT) con e senza surfattanti.

Uno dei principali problemi legati ai nanofluidi è la stabilità della sospensione delle nanoparticelle. L’agglomerazione delle nanoparticelle comporta dei depositi e l’otturazione dei microcanali e fa diminuire la conducibilità termica dei nanofluidi. Una soluzione economica per migliorare la stabilità delle soluzioni di
nanofluidi è rappresentata dall’uso dei surfattanti. Questi surfattanti sono agenti chimici di vario genere, come gruppi polari idrofilici, di solito impiegati per aumentare il contatto fra i due materiali, cioè la loro bagnabilità. La scelta del giusto surfattante per un dato nanofluido ha un ruolo chiave nel suo impiego. La
figura 2 riporta un esempio degli effetti dell’uso del giusto surfattante sul deposito delle nanoparticelle.

Anche se negli ultimi dieci anni la ricerca sui nanofluidi ha visto una grande quantità di lavori sperimentali, essa è ancora in una fase iniziale e ci sono molti argomenti aperti, tra i quali: lo scarso accordo fra i risultati sperimentali ottenuti in differenti laboratori e la mancanza di una conoscenza teorica sui
meccanismi responsabili dei cambiamenti delle proprietà nei nanofluidi.

Ci sono, infatti, molte importanti variabili e problemi legati alla produzione e all’uso dei nanofluidi, che possono avere delle responsabilità sulle differenze riportate dai dati sperimentali. Tipo di nanoparticella, grandezza, forma e distribuzione sono proprietà importanti ma non facilmente misurabili e, molte volte,
non ben definite o non riportate nelle pubblicazioni. Il tipo di fluido base utilizzato, il metodo di produzione del nanofluido, l’uso dei surfattanti e degli stabilizzanti, e dei correttori di PH, ecc. sono altre fondamentali informazioni.

Due campioni di nanofluido con tutti i parametri uguali ma differenti quantità e tipo di surfattanti e/o correttori di pH utilizzati, possono esibire differenti proprietà termofisiche e termo-fluido-dinamiche. Questi e altri fattori non conosciuti possono spiegare i risultati anomali e differenti ottenuti dai diversi ricercatori.

Da quando è stato concepito il concetto di nanofluido, poco più di dieci anni fa, i potenziali dei nanofluidi nelle applicazioni dello scambio termico hanno attratto sempre di più l’attenzione degli studiosi. Nanofluidi con Al2O3 e con nanoparticelle di Cu, CNT, mostrano di aumentare la conduttività termica dei fluidi base
rendendoli interessanti soluzioni nel controllo termico di diversi sistemi.

Guardando alle possibili applicazioni dei nanofluidi, si apre un vasto ventaglio di possibilità: trasporto (raffreddamento dei motori/controllo termico dei veicoli), raffreddamento di componenti elettronici, difesa e spazio, raffreddamento di impianti nucleari, scambiatori di calore, biomedicine e altre applicazioni
biomedicali, tubi di calore, celle a combustibile, riscaldamento solare, chillers, refrigeratori domestici, perforazione, lubrificazione, accumulo termico e molte altre.

Solo per dare alcuni esempi delle possibili applicazioni: i nanofluidi hanno dei grandi potenziali nel settore dei trasporti, per migliorare il raffreddamento dei motori di grossa cilindrata aumentandone l’efficienza, diminuendone il peso e riducendo la complessità dei sistemi di controllo termico. Secondo diversi studi
scientifici, l’applicazione dei nanofluidi in diversi sistemi di raffreddamento industriale porterà a grandi risparmi e riduzioni delle emissioni. Per l’industria americana, la sostituzione dei sistemi di raffreddamento e riscaldamento ad acqua con quelli a nanofluidi offre un potenziale risparmio di 1 milione di milioni di Btu di energia.

Dato che i nanofluidi mostrano anche delle interessanti proprietà durante lo scambio termico bifase, possono venire impiegati anche negli impianti nucleari. Il MIT (Massachusetts Institute of Technology) ha istituito il centro interdisciplinare di ricerca sui nanofluidi per applicazioni nucleari; l’uso dei nanofluidi che
presentano un flusso critico almeno il 32% superiore a quello del fluido base, potrebbe portare ad un incremento di circa il 20% della capacità di un impianto esistente senza nessun cambiamento delle caratteristiche tecniche del reattore e senza ridurre i requisiti di sicurezza sul flusso termico critico.

Inoltre, i fluidi magnetici sono degli speciali nanofluidi che si servono delle proprietà magnetiche delle particelle disperse nel fluido base. Questi particolari nanofluidi possono essere utilizzati nelle tenute rotanti che lavorino senza manutenzione e con bassissime perdite in un grande campo di condizioni operative.
Infine, alcuni tipi speciali di nanoparticelle presentano delle particolari proprietà antibatteriche o di rilascio di medicine, questo fa si che alcuni nanofluidi che le contengono possono mostrare delle interessantissime proprietà biomedicali.

Dopo questa breve descrizione dei nanofluidi, possiamo concludere che questa nuova classe di fluidi mostra delle enormi potenzialità e un grande ventaglio di possibili applicazioni, ma devono essere risolti molti problemi prima che i nanofluidi possano essere utilizzati come fluidi operativi.
Bibliografia

• Das S.K., Choi S.U.S., Yu W., Pradeep T., 2008, Nanofluids – science and technology, Ed. John Wiley and Sons, Hoboken, New Jersey, USA.
• Choi S.U.S., 2008, Nanofluids: A New Field of Scientific Research and Innovative Applications, Heat Transfer Engineering, 29(5):429–431.

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