(Phys.org) – En blandning av diamantnanopartiklar och mineralolja överträffar lätt andra typer av vätska som skapats för värmeöverföringstillämpningar, enligt ny forskning från Rice University.

Risforskare blandade mycket låga koncentrationer av diamantpartiklar (cirka 6 nanometer i diameter) med mineralolja för att testa nanovätskans värmeledningsförmåga och hur temperaturen skulle påverka dess viskositet. De fann att det var mycket bättre än nanofluider som innehåller högre mängder oxid, nitrid- eller karbidkeramik, metaller, halvledare, kolnanorör och andra kompositmaterial.

Rice-resultaten dök upp den här veckan i tidskriften American Chemical Society Tillämpade material och gränssnitt .

Arbetet som kunde förbättra applikationer där kontroll av värme är av största vikt leddes av Pulickel Ajayan, ordförande för Rices nya avdelning för materialvetenskap och nanoteknik; Risalumnen Jaime Taha-Tijerina, nu forskare vid Viakable Technology and Research Center i Monterrey, Mexiko; och en forskningssamarbetspartner vid Carbon Sponge Solutions i Houston.

Termiska vätskor används för att lindra slitage på komponenter och verktyg och för bearbetningsoperationer som stansning och borrning, medicinsk terapi och diagnos, bioläkemedel, luftkonditionering, bränsleceller, kraftöverföringssystem, solceller, mikro- och nanoelektroniska mekaniska system och kylsystem för allt från motorer till kärnreaktorer.

Vätskor för varje applikation måste balansera en förmåga att rinna med termiska transportegenskaper. Tunna vätskor som vatten och etylenglykol flyter lätt men leder inte värme bra, medan traditionella värmeöverföringsvätskor kan påverkas av stabilitet, viskositet, ytladdning, skiktning, agglomeration och andra faktorer som begränsar väsentligt flöde.

Forskare har letat sedan slutet av 1990-talet efter effektiva, anpassningsbara nanofluider som erbjuder en medelväg. De använder partiklar under 100 nanometer i tillräckligt låga koncentrationer för att de inte begränsar flödet men ändå effektivt utnyttjar deras värmeöverförings- och lagringsegenskaper.

Nanodiamanter har visat sig vara den bästa tillsatsen hittills. De har de flesta egenskaper som gör bulkdiamant så enastående för värmeöverföringsapplikationer på makroskala. Enstaka diamantkristaller kan ha 100 gånger bättre värmeledningsförmåga än koppar samtidigt som de fungerar som ett effektivt smörjmedel.

"De stora egenskaperna hos nanodiamant - smörjighet, hög värmeledningsförmåga och elektrisk resistivitet och stabilitet, bland annat - är ganska imponerande, ", sa Taha-Tijerina. "Vi fann att vi kunde kombinera mycket små mängder med konventionella vätskor och få extraordinär termisk transport utan betydande problem med viskositeten."

I tester, forskarna spred nanodiamanter i mineralolja och fann att en mycket liten koncentration – en tiondel av en viktprocent – ​​höjde oljans värmeledningsförmåga med 70 procent vid 373 kelvin (cirka 211 grader Fahrenheit). Samma koncentration av nanodiamant vid en lägre temperatur höjde fortfarande konduktiviteten, men till mindre effekt (cirka 40 procent vid 323 K).

De föreslog en mekanism som ungefär liknar perkolering – men kanske till skillnad från något annat som vi sett ännu – tar fäste när olja och diamantmolekyler kolliderar när de värms upp.

"Brownisk rörelse och interaktioner mellan nanopartiklar och vätska spelar en viktig roll, ", sade Taha-Tijerina. "Vi observerade en förbättring av värmeledningsförmågan med inkrementella förändringar i temperatur och mängden nanodiamanter som används. De temperaturberoende variationerna berättade för oss att förändringarna inte bara berodde på perkolationsmekanismen utan också på Brownsk rörelse."