1.2.1 Khái niệm chất lỏng nano
Chất lỏng nano (nanofluilds) là một loại chất lỏng được tạo ra bằng cách phân tán các vật liệu kích thước nanomet (bao gồm các hạt nano, sợi nano, ống nano, dây nano, thanh nano, tấm nano, v.v...) trong một nền chất lỏng cơ sở như: nước, dầu, ethylene glycol, vv… Nói cách khác, chất lỏng nano là hệ thống hai pha bao gồm một pha rắn nằm trong một pha lỏng. Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy chất lỏng nano có nhiều tính chất tăng cường so với các chất lỏng cơ sở, như tính dẫn nhiệt, dẫn điện, độ nhớt, và hệ số truyền nhiệt đối lưu. Các kết quả nghiên cứu gần đây cũng đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng to lớn của chất lỏng nano trong nhiều lĩnh vực khác nhau. [44]
1.2.2 Các phƣơng pháp chế tạo
Để chế tạo chất lỏng nano, hiện nay người ta sử dụng hai phương pháp chính, bao gồm: phương pháp hai bước (Two - Step Method) và phương pháp một bước (One - Step Method). [44]
Phƣơng pháp hai bƣớc
Phương pháp hai bước là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất cho việc chế tạo chất lỏng nano. Trước hết, ở bước thứ nhất, các vật liệu nano (hạt nano, sợi nano, ống nano, hay vật liệu nano khác) được được sản xuất ở dạng bột khơ bằng phương pháp hóa học hay vật lý. Sau đó, ở bước thứ hai, bột nano sẽ được phân tán vào một chất lỏng cơ sở với sự hỗ trợ của các thiết bị rung bằng từ tính, rung siêu âm, máy khuấy từ, v.v... Phương pháp hai bước là phương pháp kinh tế nhất để sản xuất chất lỏng nano với quy mơ lớn, bởi vì kỹ thuật tổng hợp các hạt nano đã được mở rộng đến mức sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, chất lỏng nano được chế tạo bằng phương pháp này khơng đạt được tính ổn định cao do tỷ số diện tích bề mặt lớn, các hạt nano có xu hướng tụ đám lại với nhau. Vì vậy, kỹ thuật quan trọng để tăng cường sự ổn định của các hạt nano trong chất lỏng là việc sử dụng các chất
hoạt động bề mặt. Tuy nhiên, chức năng của các bề mặt ở nhiệt độ cao cũng là một vấn đề đáng chú ý trong việc nâng cao độ phân tán của vật liệu nano trong chất lỏng … [44]
Với những nhược điểm nhất định của phương pháp hai bước trong việc phân tán hạt nano trong chất lỏng, một kỹ thuật mới được phát triển để chế tạo chất lỏng nano đó là phương pháp một bước.
Phƣơng pháp một bƣớc
Phương pháp một bước (One - step) là phương pháp tổng hợp trực tiếp CNTs trong chất lỏng bằng cách áp dụng các phương pháp hóa học hay vật lý. Phương pháp này bao gồm đồng thời cả hai quá trình hình thành và phân tán các hạt nano trong chất lỏng. Phương pháp One - step có thể chế tạo các hạt nano phân tán đồng đều hơn, và sự ổn định của các hạt trong chất lỏng cơ sở cao hơn.
Để giảm sự tích tụ của các hạt nano trong q trình bảo quản, Nhóm nghiên cứu Choi đã phát triển phương pháp One - step dựa trên việc ngưng tụ hơi vật lý trong chất lỏng để tạo thành chất lỏng nano Cu/Ethylene Glycol [25]. Phương pháp này bỏ qua được các quá trình sấy, bảo quản, vận chuyển và phân tán của các hạt nano, do đó sự tích tụ của các hạt nano được giảm thiểu, và sự ổn định của chất lỏng được tăng lên [49]. Hệ thống chế tạo hạt nano bằng phương pháp hồ quang trong chất lỏng (Submerged Arc Nanoparticle Synthesis System - SANSS) là một lựa chọn hiệu quả để chế tạo chất lỏng nano với nhiều loại dung môi lỏng khác nhau [10,11]. Các hình dạng khác nhau của vật liệu nano hình thành bởi phương pháp này chủ yếu bị ảnh hưởng và quyết định bởi tính dẫn nhiệt khác nhau của chất lỏng cơ sở. Các hạt nano chế tạo được có các hình dạng bao gồm hình đa giác, hình vng, và hình trịn. Phương pháp này rất hiệu quả trong việc chống lại sự tái kết hợp, tập hợp hay tụ đám của các hạt nano.
Tuy nhiên, phương pháp vật lý không thể tổng hợp được chất lỏng nano ở quy mô lớn, và giá thành dựa trên phương pháp này cũng cao, chính vì thế mà các
phương pháp hóa học đã nhanh chóng được phát triển. Nhóm nghiên cứu Zhu đã đưa ra một phương pháp hóa học để chế tạo chất lỏng nano Cu bằng cách phản ứng CuSO4⋅5H2O với NaH2PO2⋅H2O trong ethylene glycol dưới tác dụng của lị vi sóng [18]. Kết quả thu được chất lỏng nano với sự phân tán tốt và ổn định của hạt nano Cu trong ethylene glycol.
Chất lỏng nano trên cơ sở dầu có chứa các hạt nano bạc với sự phân bố hẹp của kích thước các hạt nano cũng đã được chế tạo bằng phương pháp này [19]. Chất lỏng nano trên cơ sở ethanol có chứa các hạt nano bạc với ổn định cao cũng được nhóm A. K. Singh chế tạo bằng phương pháp hóa học một bước với sự hỗ trợ của sóng siêu âm, trong đó polyvinylpyrrolidone (PVP) được sử dụng như là chất hoạt động bề mặt tạo sự ổn định của bạc và giảm sự tụ đám cho bạc trong dung dịch. [7]
Mặc dù, phương pháp One - step mang lại sự phân tán tốt hơn và đạt được tính ổn định của chất lỏng nano nhưng khơng phổ biến vì phương pháp vật lý khơng thể thực hiện trên quy mô lớn và chi phí cao, phương pháp hóa học có thể cịn tồn tại các tạp chất do các phản ứng hóa học cịn tồn tại trong nanofluids được tạo ra gây khó khăn cho việc xác định vai trị cuả các hạt nano trong nanofluids.
1.2.3 CNTs - Nanofluids
Chế tạo CNTs - nanofluids
Như ta đã biết, hiện nay có hai phương pháp chính để chế tạo nanofluids là phương pháp One - step và phương pháp Two - step. Phần lớn các nghiên cứu hiện nay về chất lỏng nano đều thực hiện chế tạo dựa trên phương pháp Two - step vì nó khơng địi hỏi sự phức tạp về mặt thiết bị, trong khi các vật liệu nano đã được chế tạo sẵn với số lượng lớn. Đối với CNTs - nanofluids, cho đến nay phương pháp One - step vẫn chưa khả thi và phương pháp Two - step được sử dụng ở tất cả các nghiên cứu được biết đến. [20]
Một tiêu chuẩn quan trọng khi chế tạo CNTs - nanofluids là tránh được sự tụ đám và tạo độ ổn định lâu dài trong chất lỏng. Các ống nano cacbon chưa biến tính,
dưới sự tác động của lực Van - der - Waals, cũng như do tỷ số diện tích bề mặt lớn dẫn đến CNTs dễ bị tụ đám và lắng đọng xuống đáy ngay sau khi phân tán trong các chất lỏng, ngay cả việc sử dụng phương pháp rung siêu âm trong thời gian dài cũng không đạt kết quả tốt trong việc phân tán CNTs trong chất lỏng. Nhóm nghiên cứu Xie đã chứng tỏ rằng hầu hết các ống nano cacbon chưa biến tính khi phân tán trong nước với nồng độ 0,175% đều bị lắng đọng chỉ 5 phút sau khi chế tạo [48]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc biến tính gắn nhóm chức, sử dụng các chất hoạt động bề mặt, và rung siêu âm sẽ đặt được sự ổn định mong muốn trong việc chế tạo CNTs - nanofluids. Các chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng trong CNTs - nanofluids bao gồm: Sodium Dodecyl Sulfate (SDS), Polyvinyl Pyrrolidone (PVP), Gum Arabic (GA), Cety Trimethyl Ammonium Bromide (CTAB), và Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS).
Hình1.20. Sơ đồ chế tạo CNTs - nanofluids
Nhóm nghiên cứu Jiang và các cộng sự đã chế tạo CNTs - nanofluids trên nền nước cất bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt Sodium Dodecyl Sulfate (SDS). SDS là một chất hoạt động bề mặt cation có chứa một đầu ưa Sulfate và một phân đoạn hydrocacbon kỵ nước. Các phép phân tích FTIR và AES cho thấy tồn tại một lực hút mạnh giữa bề mặt CNTs với SDS. Kết quả thí nghiệm cho thấy CNTs kết hợp với SDS cho sự phân tán tốt hơn nhiều so với CNTs đơn thuần, điều này được giải thích là do có sự xuất hiện của lực đẩy tĩnh điện giữa các bề mặt tích điện âm tồn tại trên SDS khi gắn kết với CNTs. [26]
Tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids
Trong số các loại vật liệu nano thì CNTs là loại vật liệu có nhiều tính chất ưu việt. Bảng 2 so sánh độ dẫn nhiệt của CNTs so với một số loại chất lỏng tản nhiệt, kết quả cho thấy CNTs có khả năng dẫn nhiệt tốt với độ dẫn nhiệt lớn hơn từ 4.000 - 12.000 lần so với độ dẫn nhiệt của chất lỏng.
Bảng 2. Độ dẫn nhiệt của CNTs và một số chất lỏng tản nhiệt
STT Vật liệu tản nhiệt và chất lỏng Độ dẫn nhiệt (W/m K)
1 Ống nano cacbon 2000 2 Acetic acid 0,193
3 Acetone 0,180
4 Alcohol, ethyl (ethanol) 0,171
5 Alcohol, methyl (methanol) 0,202
6 Alcohol, propyl 0,161 7 Ammonia, saturated 0,507 8 Aniline 0,172 9 Benzene 0,167 10 n-Butyl alcohol 0,167 11 Carbon Disulfide 0,161 12 Carbon Tetrachloride 0,104 13 Castor Oil 0,180 14 Chloroform 0,129 15 Decane 0,147
16 Dodecane 0,140
17 Engine Oil, unused 0,145
18 Ether 0,130 19 Ethyl acetate 0,137 20 Ethylene Glycol 0,258 21 Freon refrigerant R - 11 0,093 22 Freon refrigerant R - 12 0,071 23 Glycerine 0,285 24 n-Heptane 0,140 25 Hexane 0,124 26 Isobutyl alcohol 0,134 27 Kerosene 0,145 28 Methyl alcohol 0,212 29 n-Octane 0,147 30 n-Pentane 0,136 31 Phenol 0,190 32 Propylene glycol 0,147 33 Transformer oil 0,110 34 Toluene 0,151 35 Turpentine 0,128 36 Water, Fresh 0,609
Để khảo sát tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids, nhóm nghiên cứu Choi đã khảo sát độ dẫn nhiệt của dầu poly (α - olefin) chứa thành phần SWCNTs. Kết quả thực nghiệm cho thấy độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên khi hàm lượng của SWCNTs tăng. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng tăng lên đến 160% khi tỷ lệ thể tích của SWCNTs được thêm vào là 1,75%. Nhóm nghiên cứu Lifei Chen đã khảo sát độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol (EG) theo nồng độ % về thể tích của CNTs phân tán trong chất lỏng, hình 1.21 là kết quả đồ thị thu được cho thấy việc đưa CNTs vào chất lỏng tản nhiệt có thể nâng cao độ dẫn nhiệt của chất lỏng EG từ 10 – 15 % [29]. Với những ưu việt về tính chất nhiệt của CNTs - nanofluids, nhóm nhà khoa học Narendra Singh, Gaurav Chand, S. Kanagaraj ở Viện khoa học Công nghệ Guwahati (Ấn Độ) đã đưa CNTs vào chất lỏng Ethylene Glycol với nồng độ từ 0,12 - 0,4% về thể tích để ứng dụng trong hệ thống tản nhiệt dành cho ơtơ [3 - 8].
Hình 1.21. Đồ thị phụ thuộc của độ dẫn nhiệt của nước cất (DW) và Ethylen Glycol
1.2.4 Ứng dụng của chất lỏng nano
Tản nhiệt cho linh kiện điện tử
Do mật độ ngày càng cao hơn của chíp, đồng thời linh kiện điện tử ngày càng được thiết kế nhỏ gọn hơn, tản nhiệt cho linh kiện điện tử đã trở thành bài tốn cho các nhà khoa học và cơng nghệ. Thiết bị điện tử tiên tiến ngày nay phải đối mặt với những thách thức về việc tăng công suất tỏa nhiệt, nhưng lại giảm diện tích bề mặt tiếp xúc trong khi vẫn phải đảm bảo được nhiệt độ hoạt động ổn định. Vì vậy, hệ thống tản nhiệt đáng tin cậy là rất quan trọng cho hoạt động ổn định cũng như kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện tử tiên tiến. Hiện nay, có hai hướng chính để cải thiện việc tản nhiệt cho các thiết bị điện tử đó là: tìm một mơ hình tối ưu của hệ thống tản nhiệt, thứ hai là nâng cao khả năng truyền nhiệt cho các vật liệu trong hệ thống làm mát. Như đã biết, nanofluids có tính dẫn nhiệt cao hơn so với các chất lỏng cơ sở, các nghiên cứu gần đây chứng minh rằng nanofluids có thể làm tăng hiệu quả truyền nhiệt nhờ vào việc sử dụng thêm các hạt nano có độ dẫn nhiệt cao trong chất lỏng.
Trong lĩnh vực công nghệ thông tin, các yêu cầu về tản nhiệt cho máy vi tính trở nên khắt khe hơn do công suất tỏa nhiệt của CPU ngày càng tăng. Một trong những giải pháp đã được nghiên cứu là sử dụng các ống dẫn nhiệt chứa nanofluids. Nhóm nghiên cứu Tsaia đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của nanofluids chứa hạt nano vàng với nước trong một hệ thống ống dẫn nhiệt chứa chất lỏng [12]. Các kết quả đo cho thấy nhiệt trở của ống dẫn nhiệt thay đổi theo kích thước của các hạt nano vàng. Trong quá trình vận chuyển chất lỏng, các hạt nano cịn có tác dụng bắn phá các bong bóng hơi hình thành trong chất lỏng, ngăn cản sự tăng lên của nhiệt trở chất lỏng, qua đó giữ nguyên được hiệu quả truyền nhiệt trong suốt q trình hoạt động.
Nhóm nghiên cứu Chen đã khảo sát hiệu quả tản nhiệt của ống dẫn nhiệt phẳng (Flat Heat Pipe - FHP) sử dụng nanofluids bạc [49]. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt về nhiệt độ và khả năng chịu nhiệt của FHP khi sử dụng
nanofluids bạc tốt hơn so với việc sử dụng nước tinh khiết. Điều này được giải thích thông qua việc tăng cường thông lượng nhiệt truyền qua chất lỏng.
Một số nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của ống dẫn nhiệt chỉ ra rằng nanofluids chứa bạc hoặc hạt nano titan có thể được sử dụng như một chất lỏng làm mát hiệu quả cho các thiết bị có mật độ năng lượng cao. Đối với nanofluids bạc, sự khác biệt nhiệt độ giảm 0,56oC - 0,65oC so với việc sử dụng nước cất khi công suất linh kiện là 30 W - 50 W [39]. Đối với các ống dẫn nhiệt dùng nanofluids titan ở nồng độ 0,10% thể tích, hiệu suất nhiệt cao hơn 10,60% so với các chất lỏng làm việc thông thường [36]. Những kết quả đạt được ở trên đã thúc đẩy những nghiên cứu và phát triển tiếp theo của nanofluids cho các ứng dụng cho linh kiện điện tử công suất lớn. Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu ứng dụng của Nanofluids trong tản nhiệt cho linh kiện điện tử.
Hình 1.21 là ảnh đèn LED cơng suất 100 W của cơng ty SWITCH, nó có độ rọi sáng khoảng 1.700 lume, tương đương với công suất chiếu sáng của bóng đèn Halogen. Bằng cách sử dụng nanofluids khả năng tản nhiệt của LED tốt hơn 40% so với phương pháp tản nhiệt bằng khơng khí.
Hình 1.22. Đèn LED chiếu sáng sử dụng chất lỏng tản nhiệt
Hình 1.22 là modul đèn LED sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng do công ty COOLED chế tạo, modul bao gồm 400 chíp LED trên diện tích 16 cm2 với cơng suất tổng cộng của modul là 1,2 kW. Điều này cho thấy công suất của đèn
LED sử dụng phương pháp tản nhiệt chất lỏng có thể tăng lên rất lớn so với phương pháp tản nhiệt dựa trên sự đối lưu của khơng khí.
Hình 1.23. Modul đèn LED cơng suất 1,2 kW gồm 400 chíp LED trên diện tích 16
cm2 sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng của công ty COOLED chế tạo.
Hiện nay, nhiều hệ thống máy tính lớn, máy server sử dụng phương pháp tản nhiệt chất lỏng, chẳng hạn trên hình 1.23 là hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong siêu máy tính cũng hãng IBM, hình 1.24 là hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong máy chủ của Google.
Hình 1.25. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng trong máy chủ của Google.
Tản nhiệt cho động cơ
Nanofluids có tiềm năng to lớn để cải thiện hiệu quả tản nhiệt cho động cơ ôtô và các động cơ khác bằng cách tăng hiệu quả, giảm khối lượng và giảm sự phức tạp của hệ thống tản nhiệt. Với hiệu quả tản nhiệt được cải thiện, người ta có thể tản nhiệt cho các động cơ ôtô và xe tải với mã lực cao hơn trong khi hệ thống tản nhiệt có kích thước khơng thay đổi. Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống làm mát nhỏ gọn hơn, nhẹ hơn sẽ mang lại nhiều lợi ích trong lợi ích kinh tế và sản xuất công nghiệp. Nanofluids trên nền ethylene glycol đã thu hút được nhiều sự quan tâm trong các ứng dụng làm mát động cơ [21 - 46] do nó hoạt động ở áp suất thấp hơn và hiệu quả cao hơn so với một hỗn hợp 50 : 50 của ethylene glycol và nước cất (tỷ lệ phổ biến của nước làm mát động cơ ôtô được sử hiện nay). Nanofluids có nhiệt độ sôi cao