El doctor Jorge Morales Hernández.
El prefijo nano en el Sistema Internacional de Unidades se usa para indicar el factor de 10-9, por ejemplo, 1 nanómetro equivale a 10-9 metros por lo que este prefijo desde el punto de vista dimensional puede ser asociado a objetos de tamaño nanométrico, que pueden ser observados con la ayuda de un microscopio electrónico de alta resolución. De acuerdo con la norma oficial mexicana NMX-R-27687-SCFI-2013, nanoescala está definida como el intervalo de dimensiones de 1nm a 100 nm de tal forma que un nano-objeto (por ejemplo, nanopartículas, nanofibras y nanoláminas) es un material con una, dos o tres dimensiones externas en la nanoescala.
Hablando en términos prácticos, la nanotecnología es la ciencia aplicada que con el apoyo de otras disciplinas tales como la ciencia de los materiales, la física, la química por citar algunas, interviene en el diseño, la síntesis y la aplicación de estructuras y nano-objetos que cuentan con al menos una de sus dimensiones en la escala de los 100 nanómetros (0.0001 de milímetro) o menos.
La necesidad de incrementar la productividad de los procesos industriales, reducir los costos de producción, mejorar la vida útil de los componentes, así como proteger al medio ambiente; son demandas que requieren de una mayor atención para poder ser más competitivos a nivel nacional e internacional. En este contexto, a través de la nanotecnología es posible mejorar las propiedades físicas y químicas de los líquidos como el agua, los aceites, los alcoholes o líquidos refrigerantes a través de la adición de nanopartículas; por ejemplo, la necesidad de incrementar la capacidad térmica de un fluido convencional, motivo al desarrollo de una nueva clase de fluidos denominados como “nanofluidos”. J. Maxwell [https://doi.org/10.1017/CBO9780511709333] fue el primero en reportar sobre el enriquecimiento de la conductividad térmica de los fluidos convencionales con los desafíos de sedimentación, obstrucción y erosión del canal de conducción.
En 1995, el trabajo de Choi [https://doi.org/10.1115/1.1532008] revolucionó el campo de la transferencia de calor en los fluidos cuando se demostró la diferencia de agregar nanopartículas en comparación con el uso de partículas sólidas milimétricas y micrométricas; lográndose un mayor transporte térmico y estabilidad con el nanofluido.
Los nanofluidos consisten en la suspensión de partículas de tamaño nanométrico (1 – 100 nm) en un fluido base convencional con la finalidad de modificar sus propiedades termo físicas y lubricantes en aplicaciones donde se requiere de mejorar la eficiencia en la transferencia de calor en colectores solares, la necesidad de incrementar la durabilidad y capacidad lubricante en un aceite de aplicación automotriz, así como la importancia de reducir el uso de líquidos refrigerantes a base de polímeros en el maquinado de piezas de la industria metal-mecánica.
Las nanopartículas adicionadas al líquido base pueden ser metálicas, cerámicas u óxidos metálicos con diferente morfología y distribución de tamaño, dependiendo de la propiedad física o química que se quieren modificar del fluido base. Algunos investigadores han combinado dos o más materiales a lo que se la ha llamado nanofluido híbrido; siendo importante cuidar la posible interacción entre éstos. Todo depende del comportamiento que se quiere resaltar en la aplicación, ya que puede presentarse o no, alguna interacción física o química entre las partículas.
Debido a la diversidad de aplicaciones que son posibles de satisfacer a través de la aplicación de los nanofluidos, se ha requerido de la síntesis y estudio de una gran variedad de nanopartículas metálicas entre las que comúnmente se encuentran al cobre (Cu), plata (Ag), níquel (Ni) y oro(Au); óxidos metálicos como el óxido de cobre (CuO), dióxido de titanio (TiO2), óxido de hierro III (Fe2O3), dióxido de silicio (SiO2), óxido de zinc (ZnO), óxido de hierro II (Fe3O4), óxido de zirconio (ZrO2) y óxido de aluminio (Al2O3); materiales de carbón como el grafeno, nanotubos de carbón, y diamante; nitruros metálicos como nitruro de boro (BN) y nitruro de aluminio (AlN); y carburos metálicos como carburo de silicio (SiC). La figura 1 muestra una descripción general de los diferentes tipos de nanofluidos que se han estudiado para diversas aplicaciones.
Hayat y Nadeem [https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.06.034.] documentaron una mayor tasa de transferencia de calor con un nanofluido híbrido de Ag-CuO/agua con respecto al nanofluido base (unitario) de CuO/agua. Por otro lado, se ha comparado el rendimiento térmico de nanofludos híbridos de Cu-TiO2/agua y Cu-Al2O3/agua encontrándose mejores resultados en la conductividad térmica del nanofluido híbrido, comparado con los nanofluidos unitarios de TiO2 y Al2O3.
El incremento en la eficiencia de los calentadores solares para aplicaciones industriales es un campo de aplicación que ha tenido un gran desarrollo tecnológico, por lo que el aumento en la conductividad térmica es la propiedad más estudiada en los nanofluidos. Derivado de estos estudios se tienen identificado los principales factores que influyen en la conductividad térmica de los nanofluidos híbridos, los cuales se muestran en la figura 2.
Resultados preliminares, han reportado un aumento del 30% en la relación de conductividad térmica de nanotubos de carbono de pared múltiple y magnetita en etilenglicol (MWCNT-Fe3O4 / EG) con una concentración de partículas de 2.3% en volumen a una temperatura de 50 ° C.
Aún hay mucho trabajo por hacer referente a la investigación de los nanofluidos híbridos ya que pocos trabajos se han reportado en cuanto a la conductividad térmica de los nanofluidos, considerando el efecto de factores como la forma de las partículas, el movimiento browniano de las partículas, el tamaño de las nanopartículas, concentración de nanopartículas, tipo de fluido base, combinación de partículas y rango de temperatura.
Hasta el momento, los estudios sobre conductividad térmica en nanofluuidos híbridos han concluido los siguientes hechos:
• La conductividad térmica de los nanofluidos híbridos aumenta con el aumento de la concentración de nanopartículas y la temperatura.
• A mayor temperatura, el efecto del movimiento browniano de las nanopartículas se vuelve significativo.
• El valor de pH también juega un papel vital, el máximo aumento en conductividad térmica se logra alrededor del valor de pH de 7 (solución neutra).
• La formación de agrupación y/o conglomerado de nanopartículas, reduce los valores de conductividad térmica.
• Las nanopartículas de forma cilíndrica proporcionaron los mejores resultados en comparación con las nanopartículas de forma esférica.
En el Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (CIDETEQ), estamos trabajando en el desarrollo de nanopartículas metal-cerámicas a base de cobre, níquel, aluminio, grafito, plata y titanio para incrementar la eficiencia térmica en colectores solares de absorción directa; de igual manera se trabaja en el desarrollo de nanofuidos para aplicaciones en el sector automotriz y en la industria metal-mecánica en base a los siguientes arreglos mostrados en la figura 3.
A manera de resumen podemos decir que los nanofluidos híbridos son una clase avanzada de fluidos de transferencia de calor con propiedades térmicas óptimas para emplearse en el sector industrial, ya que este tipo de nanofluidos, ofrecen mejores características térmicas en comparación con los nanofluidos unitarios. Es común que los nanofluidos unitarios experimenten una rápida formación de conglomerados, por lo que el diámetro hidráulico de las partículas aumenta, provocando un aumento en la viscosidad, el factor de fricción y la potencia de bombeo.
Un aumento en el porcentaje en volumen de nanoparticulas da como resultado un aumento de los valores de las propiedades termofísicas como son la conductividad térmica, viscosidad, capacidad calorífica y densidad. El aumento en la temperatura da como resultado una disminución en la viscosidad y densidad de los nanofluidos híbridos; sin embargo, la conductividad térmica y la capacidad calorífica aumentan con la temperatura. Cabe mencionar que existe un límite superior en la temperatura de trabajo y concentración, donde las propiedades térmicas mejoran, pero más allá de ese punto crítico, las propiedades térmicas tienden a deteriorarse. En cada aplicación industrial tendrán que establecerse los parámetros de operación, acorde a sus necesidades de extracción y/o transferencia de calor; lo que permitirá el correcto desarrollo del nanofluidos híbridos en base a estos límites de temperatura de operación y concentración de nanopartículas, principalmente.