Meningkatkan Difusivitas Termal Nanofluida Al₂O₃ melalui Fragmentasi Fototermal Terinduksi Laser Ter-modulasi

Abstrak

Laser kontinu-gelombang (CW) yang di-modulasi memicu respons fototermal yang dengan cepat menyerap cahaya dan menghasilkan gelombang termal di sekitar struktur nano yang diiradiasi. Dalam studi ini, kami mengeksplorasi bagaimana irradiasi laser mempengaruhi fragmentasi partikel dan consequently meningkatkan difusivitas termal nanofluida Al₂O₃. Dioda laser hemat biaya (532 nm, 200 mW) digunakan untuk memecah aglomerat nanopartikel Al₂O₃ yang terdisersi dalam air deionis. Gelombang termal yang dihasilkan laser, yang dikendalikan oleh frekuensi modulasi dan karakteristik optik/termal nanofluida, diringkas secara singkat. Pencaharan dinamis cahaya (DLS) dan mikroskopi transmisi elektron (TEM) mengukur efek waktu irradiasi pada ukuran dan distribusi partikel, sementara metode foto-piroelektrik (PPE) mengukur difusivitas termal. Hasil menunjukkan bahwa fragmentasi parsial mengurangi ukuran aglomerat menuju diameter intrinsik 11 nm, menghasilkan distribusi ukuran yang lebih sempit. Dengan demikian, difusivitas termal meningkat dari 1,444 × 10⁻³ ke 1,498 × 10⁻³ cm² s⁻¹ setelah 30 menit irradiasi, menunjukkan potensi fragmentasi fototermal untuk menyesuaikan properti transfer panas nanofluida.

Latar Belakang

Nanofluida logam-oksida, terutama Al₂O₃, dihargai karena konduktivitas termal dan difusivitas yang unggul dibandingkan fluida dasar seperti air atau minyak. Performa mereka, namun, sangat sensitif terhadap ukuran, bentuk, dan status dispersi partikel. Aglomerasi dengan cepat menurunkan properti termal, sehingga diperlukan strategi dispersi yang efektif. Pembuatan berbasis laser telah muncul sebagai alat serbaguna untuk menghasilkan dan memodifikasi nanopartikel secara langsung dalam medium cair. Dengan menyesuaikan parameter laser—panjang gelombang, durasi pulsa, energi, dan laju repetisi—seseorang dapat mempengaruhi ukuran dan distribusi partikel.

Sementara laser pulsa tradisional digunakan untuk ablasi dan fragmentasi, laser CW menawarkan keuntungan dalam biaya, ukuran, dan portabilitas. Laser CW yang di-modulasi, khususnya, menghasilkan efek fototermal (PT) yang jelas dan gelombang termal (TW) yang dapat memecah klaster partikel. Meskipun studi yang luas tentang sintesis nanopartikel yang diinduksi laser, investigasi mendetail tentang efek PT dari laser CW yang di-modulasi pada difusivitas termal nanofluida Al₂O₃ masih belum ada. Karya ini mengisi kesenjangan itu dengan secara sistematis mempelajari dinamika fragmentasi dan peningkatan transfer panas yang dihasilkan.

Metode

Persiapan Nanofluida

Nanopartikel Al₂O₃ (11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) didispersekan pada 0,05 g per 25 mL air deionis, dengan 1 % v/v pirrolidonin (PVP, MW ≈ 29 kDa) untuk menstabilkan suspensi. Setelah 1 menit pengadukan dan 30 menit sonikasi probe (VCX 500, 25 kHz, 500 W), suspensi mencapai distribusi homogen, diverifikasi oleh DLS.

Fragmentasi Laser

Fragmentasi dilakukan dalam cuvette kuarsa 2 mL yang ditempatkan pada pengaduk magnet. Dioda laser 532 nm, 200 mW (MGL 150(10)) difokuskan ke spot 0,1 mm (≈2,5 kW cm⁻²) dan di-modulasi pada 10 Hz menggunakan chopper optik (SR540). Waktu irradiasi 10 dan 30 menit diterapkan. Setelah irradiasi, TEM (Hitachi H-7100) dan DLS (Sympatec Nanophox) memfasilitasi morfologi dan distribusi ukuran.

Pengukuran Difusivitas Termal

Teknik foto-piroelektrik (PPE), yang terkenal karena presisi tinggi, mengukur difusivitas termal nanofluida. Foil tembaga (50 µm) bertindak sebagai generator piroelektrik, sementara film PVDF 52 µm berfungsi sebagai detektor. Gelombang termal yang diinduksi laser merambat melalui sampel, menghasilkan proporsi voltase terhadap difusivitas termal. Penguat lock-in (SR 530) mencatat amplitudo dan fase pada 6,7 Hz, dan data difit menggunakan metode scan rongga (Persamaan 6–8) untuk mengekstrak α.

Hasil dan Pembahasan

Generasi Gelombang Termal

Frekuensi modulasi sangat mempengaruhi amplitudo gelombang termal. Simulasi (Gambar 2) menunjukkan frekuensi optimal sekitar 10 Hz, menyeimbangkan amplitudo sinyal dan kebisingan. Serapan optik, yang didorong oleh ukuran, bentuk, dan konsentrasi partikel, secara langsung mempengaruhi kekuatan gelombang termal. Nanofluida Al₂O₃/air menunjukkan serapan yang menguntungkan, dengan hingga 13 % cahaya insiden yang diserap—ditingkatkan lebih lanjut oleh konsentrasi nanopartikel yang lebih tinggi.

Dinamika Fragmentasi

Gambar TEM (Gambar 5) menunjukkan pengurangan progresif ukuran partikel: dari 16,4 ± 7,8 nm (sebelum irradiasi) menjadi 14,2 ± 5,4 nm setelah 10 menit, dan 12,0 ± 3,5 nm setelah 30 menit. Data DLS (Gambar 6) mengonfirmasi pergeseran ke distribusi yang sempit dan monodispers, dengan diameter hidrodinamis menurun dari sekitar 90 nm menjadi sekitar 91 nm setelah irradiasi. Fragmentasi menyegeruhi di sekitar 30 menit, saat partikel mencapai ukuran kritis di mana ablasi yang diinduksi serapan semakin berkurang.

Peningkatan Difusivitas Termal

Kalibrasi terhadap air tisu menghasilkan α = 1,446 × 10⁻³ cm² s⁻¹ (dalam 1 % dari literatur). α nanofluida meningkat dari 1,444 ± 0,008 × 10⁻³ cm² s⁻¹ (tanpa irradiasi) menjadi 1,498 ± 0,012 × 10⁻³ cm² s⁻¹ setelah 30 menit (Gambar 7). Peningkatan 3–6 % mencerminkan gerakan Brown yang ditingkatkan dan ukuran aglomerat yang dikurangi, yang mempromosikan transfer panas yang efisien dari partikel ke fluida dasar. Difusivitas termal yang ditingkatkan menyoroti efektivitas fragmentasi laser CW yang di-modulasi sebagai strategi praktis untuk optimasi nanofluida.

Kesimpulan

Irradiasi laser CW yang di-modulasi secara efisien memecah aglomerat Al₂O₃, menghasilkan distribusi ukuran yang sempit dan meningkatkan difusivitas termal hingga 6 % dalam 30 menit. Pendekatan hemat biaya dan dapat diskalakan ini menunjukkan kelayakan fragmentasi fototermal untuk menyesuaikan performa transfer panas nanofluida, dengan implikasi untuk exchanger panas industri, pendingin elektronik, dan terapi medis.