23 Sep 2018
(Vía ICN2) Los fluidos de transferencia térmica se utilizan como refrigerantes de vehículos y en procesos industriales para disipar el calor y prevenir el sobrecalentamiento. Sin embargo, el potencial de refrigeración de los fluidos actuales basados en agua o aceites es a menudo demasiado bajo para las necesidades cada vez más exigentes de la industria. Por ejemplo, en microelectrónica el control absoluto de la temperatura es crucial para el rendimiento de los componentes electrónicos. Además, están surgiendo nuevas necesidades igualmente exigentes en campos como la conversión energética y las tecnologías de almacenamiento térmico.
Como los fluidos convencionales no están a la altura de las nuevas exigencias, los investigadores han centrado su atención en los fluidos con nanopartículas añadidas, conocidos como nanofluidos. Se han realizado estudios con distintos fluidos base y nanopartículas en diferentes concentraciones, y los resultados muestran claras mejoras en sus propiedades térmicas. Sin embargo, todavía no se conocen los mecanismos que explican estas mejoras, es decir, cuáles son los procesos específicos responsables de las mejoras en las tasas de intercambio de calor y en la conductividad térmica de los nanofluidos.
En el trabajo publicado recientemente en la Royal Society of Chemistry’s Nanoscale y titulado “Mechanisms behind the enhancement of thermal properties of graphene nanofluids”, tres grupos de investigación del ICN2 han unido esfuerzos para intentar desvelar el problema. La autora principal, María del Rocío Rodríguez Laguna, estudiante de doctorado del grupo Novel Energy-Oriented Materials, explica cómo han utilizado un sistema de ejemplo de libro para estudiar las interacciones entre las nanopartículas y las moléculas del fluido en nanofluidos de grafeno-amida. En concreto, han analizado la influencia de la concentración de grafeno en la conductividad térmica, la capacidad calorífica, la velocidad del sonido y los espectros Raman.
Los resultados obtenidos no solo confirman que la presencia de grafeno tiene un impacto positivo en todas las propiedades estudiadas, incluyendo un aumento de la conductividad térmica del 48%, sino que además desvelan los mecanismos que explican estas mejoras. Aunque los hallazgos descartan algunas de las teorías existentes basadas en el movimiento browniano, respaldan otras teorías relacionadas con que la presencia de las nanopartículas puede modificar la disposición de las moléculas del fluido base. Por ejemplo, el análisis de los espectros Raman indica que la mera presencia de pequeñas cantidades de grafeno modifica las interacciones que tienen lugar entre las moléculas del fluido, afectando de esta forma la energía de vibración del fluido en su conjunto. Además de este efecto, las simulaciones teóricas mostraron que el grafeno induce una orientación paralela a nivel local de las moléculas del fluido más cercanas a él, favoreciendo el apilamiento π-π, así como un ordenamiento local de las moléculas de fluido alrededor del grafeno. Para llevar a cabo estas simulaciones, los investigadores utilizaron los supercomputadores de la RES MareNostrum, LaPalma y Altamira a través de las convocatorias de la RES.
Estos resultados representan un primer paso prometedor para comprender cómo funcionan los nanofluidos y cómo pueden ser mejorados para cumplir las exigencias futuras de la industria. Los nanofluidos basados en grafeno existentes actualmente pueden tener un gran abanico de aplicaciones, como en la electrónica flexible, la conversión energética y el almacenamiento térmico. Es más, las pequeñas cantidades de nanopartículas necesarias para producir estas mejoras en el rendimiento de trasferencia calorífica significan que los costes necesarios serán mínimos.
Los tres grupos del ICN2 que han participado en este trabajo fueron el Novel Energy-Oriented Materials Group, liderado por el profesor del CSIC Pedro Gómez-Romero, el Phononic and Photonic Nanostructures Group, liderado por la profesora ICREA Clivia M. Sotomayor Torres, y el Theory and Simulation Group, liderado por el profesor Pablo Ordejón, director del ICN2, y usuario de los recursos de la RES desde 2010.
Referencia:
M.R. Rodríguez-Laguna, A. Castro-Alvarez, M. Sledzinska, J. Maire, F. Costanzo, B. Ensing, M. Pruneda, P. Ordejón, C.M. Sotomayor Torres, P. Gómez-Romero, E. Chávez-Ángel. Mechanisms behind the enhancement of termal properties of graphene nanofluids. Nanoscale, 2018, 10, 15402. DOI: 10.1039/c8nr02762e
