Efek Fototermal dari Modulasi Iradiasi Laser pada Difusivitas Termal Nanofluida Al2O3

Abstrak

Laser gelombang kontinu termodulasi (CW) menyebabkan efek fototermal yang mengarah pada penyerapan optik yang cepat dan pembangkitan gelombang termal di sekitar struktur nano yang diiradiasi. Dalam karya ini, kami memeriksa efek iradiasi laser CW termodulasi pada proses fragmentasi partikel untuk meningkatkan difusivitas termal nanofluida. Laser dioda yang mudah dan hemat biaya diterapkan untuk mengurangi ukuran Al₂ yang diaglomerasi. O₃ nanopartikel dalam air deionisasi. Generasi gelombang termal, yang ditentukan oleh frekuensi termodulasi dari sinar laser dan sifat optik dan termal dari nanofluida, juga secara singkat dibahas dan diringkas. Pengaruh waktu penyinaran laser terhadap ukuran partikel nano dan distribusi ukurannya ditentukan oleh hamburan cahaya dinamis dan mikroskop elektron transmisi. Difusivitas termal nanofluida diukur menggunakan metode fotopiroelektrik. Data yang diperoleh menunjukkan bahwa penyinaran laser termodulasi menyebabkan fragmentasi parsial dari beberapa partikel yang diaglomerasi dalam koloid, dengan diameter rata-rata mendekati ukuran partikel aslinya, yang ditunjukkan oleh ukuran distribusi yang sempit. Pengurangan ukuran partikel yang diaglomerasi juga menghasilkan peningkatan nilai difusivitas termal, dari 1,444 × 10⁻³ hingga 1,498 × 10⁻³ cm² /s dalam 0 hingga 30 min waktu penyinaran. Karya ini membawa kemungkinan dan wawasan baru ke dalam fragmentasi bahan nano yang diaglomerasi berdasarkan studi fototermal.

Latar Belakang

Nanofluida oksida logam telah menarik banyak perhatian karena sifat termalnya yang ditingkatkan yang memungkinkannya memainkan peran khusus dalam pengembangan peralatan perpindahan panas. Nanofluida oksida logam diketahui memiliki sifat termo-fisik yang ditingkatkan seperti difusivitas termal, konduktivitas termal, dan koefisien perpindahan panas konvektif dibandingkan dengan fluida dasar seperti minyak atau air. Al₂ O₃ adalah oksida yang menarik, sebagai bahan untuk meningkatkan perpindahan panas, karena konduktivitas termal yang tinggi. Konduktivitas termal nanofluida berperan sebagai properti penting dalam mengembangkan peralatan perpindahan panas yang hemat energi, terutama digunakan di bidang industri seperti otomotif, peralatan elektronik, dan aplikasi medis. Sifat termal nanofluida sensitif terhadap ukuran dan bentuk nanopartikel (NP) dan cairan dasarnya [1,2,3,4,5]. Hal ini menimbulkan masalah karena NP memiliki kecenderungan untuk beragregasi dengan cepat dan menyebabkan penurunan sifat termal dari nanofluida [6,7,8]. Baru-baru ini, metode nanopartikel yang diproduksi dengan laser telah digunakan untuk memodifikasi dan menghasilkan NP secara langsung dalam cairan dasar [8,9,10] untuk digunakan dalam teknik kimia, optik dan termal, fototerapi, katalisis, dan perpindahan panas. Ukuran dan dispersinya dapat dikontrol dengan memvariasikan parameter laser, seperti panjang gelombang laser, durasi pulsa, jumlah pulsa laser, dan energi pulsa [11, 12]. Secara umum, interaksi antara laser dan partikel tidak hanya menyebabkan ablasi fototermal tetapi juga menghasilkan gelombang termal (TWs) di sekitar struktur nano, dan media sekitarnya, yang mengarah pada pengurangan ukuran partikel atau pembentukan NP dengan distribusi ukuran tertentu. Studi pada fabrikasi optik NP dengan iradiasi laser menunjukkan bahwa ablasi laser target padat [12,13,14,15] dan fragmentasi dari bubuk mikrokristalin tersuspensi [16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26] dapat digunakan dengan menggunakan laser berdenyut yang kuat atau sumber laser CW intensitas rendah. Laser berdenyut telah digunakan dalam banyak penelitian untuk ablasi laser target padat dalam cairan. Meskipun iradiasi laser adalah teknik yang berguna untuk membantu pembentukan NP dalam nanofluida, efisiensi proses iradiasi laser cukup sensitif terhadap durasi pulsa. Namun, dalam kasus iradiasi laser berdenyut, ukuran dan distribusi NP secara signifikan dipengaruhi oleh jumlah dan waktu iradiasi pulsa laser. Ini menyiratkan bahwa masih sulit untuk mencapai lebih banyak produksi partikel dengan kontrol atas distribusi ukuran nanocluster yang dihasilkan. Dalam beberapa tahun terakhir, laser CW telah digunakan dalam beberapa penelitian untuk pembuatan NP [27,28,29,30]. Ada beberapa keuntungan dalam menggunakan sumber laser CW dibandingkan dengan sumber optik lainnya, karena umumnya lebih murah, lebih kecil, dan memiliki pengaturan yang lebih portabel yang berpotensi digabungkan dengan perangkat lain, terutama sebagai sumber terapi fototermal untuk aplikasi medis dan pembentukan kembali dan fabrikasi nanomaterials [30, 31]. Baru-baru ini, banyak penyelidikan eksperimental dan teoritis yang bertujuan untuk memahami mekanisme iradiasi laser telah dilakukan [24, 31,32,33,34,35,36]. Berdasarkan perhitungan dan konfirmasi eksperimental, ablasi laser dan fragmentasi NP dapat didorong oleh efek fototermal (PT) [37,38,39,40,41]. Efek PT memungkinkan untuk optimasi dan pemantauan efisiensi iradiasi laser dengan sumber optik yang berbeda dalam desain eksperimental yang berbeda [42,43,44,45,46,47,48,49]. Laser CW termodulasi umumnya digunakan dalam aplikasi yang melibatkan efek PT. Ini bisa menjadi sumber PT cahaya yang baik diberikan frekuensi modulasi yang optimal. Peningkatan efisiensi gelombang termal dan rasio sinyal terhadap noise (S/N) dapat diamati, membuatnya lebih cocok untuk proses fragmentasi NP. Selain itu, optimasi yang cermat dari kondisi eksperimental dapat menetapkan kontrol atas distribusi ukuran nanocluster yang dihasilkan dan sifat termal nanofluida. Namun, tidak ada studi rinci dalam literatur untuk efek PT dari modulasi laser CW pada pembentukan dan ukuran NP dan sifat termalnya.

Dalam makalah tersebut, laser dioda CW digunakan untuk fragmentasi gugus Al₂ O₃ partikel untuk meningkatkan difusivitas termal nanofluida, di bawah berbagai waktu iradiasi. Dasar generasi gelombang termal dari sinar laser CW termodulasi secara singkat diringkas dan efek frekuensi sinar termodulasi dan parameter fisik dibahas. Hasil proses fragmentasi laser dianalisis dengan menggunakan analisis transmission electron microscopy (TEM) dan dynamic light scattering (DLS). Akhirnya, efek perawatan laser pada difusivitas termal nanofluida diselidiki. Teknik photopyroelectric (PPE) digunakan sebagai metode yang valid untuk mengukur difusivitas termal nanofluida dengan presisi dan resolusi yang sangat tinggi.

Pembangkitan Gelombang Termal dari Sinar Laser Termodulasi

Pada laser termodulasi CW, penyerapan sinar datang termodulasi menyebabkan medan gelombang termal, yang merupakan hasil dari distribusi suhu periodik di permukaan [50]. Dalam kasus modulasi dengan frekuensi yang berbeda, ketika permukaan bahan penyerap disinari dengan radiasi optik termodulasi pada frekuensi f , di mana fluks adalah intensitas sumber dan frekuensi sudut termodulasi dari cahaya datang, penyerapan sinar datang termodulasi akan menghasilkan generasi gelombang termal pada permukaan sampel. Gambar 1 adalah ilustrasi skema dari fenomena yang dihasilkan dari paparan permukaan sampel ke sinar laser CW termodulasi. Energi termal akustik yang muncul karena efek PT menyebabkan pengangkutan gelombang termal melalui sampel dan media sekitarnya.

Fenomena fototermal yang disebabkan oleh iluminasi permukaan oleh berkas cahaya termodulasi

Dalam kasus nanofluida dengan sejumlah partikel padat, gelombang termal yang dihasilkan dalam partikel padat berdifusi ke kedua media termasuk partikel padat lainnya dan lapisan fluida yang berdekatan, dalam medan gelombang termal 3-D. Gelombang termal berdifusi dalam 3-D, jika sumber panasnya kecil dibandingkan dengan dimensi lateral sampel; persamaan difusi termal ini perlu diselesaikan dengan menggunakan simetri silinder. Berdasarkan teori deret Fourier, hubungan antara gradien suhu (∇T ) dan laju konduksi (k ) dalam arah aliran energi (q ) dalam suatu materi adalah

$$ q=-k\nabla T $$ (1)

, dan persamaan diferensial konduksi panas adalah [50]

$$ {\nabla}^2T=\frac{1}{\alpha}\frac{\partial T}{\partial t} $$ (2)

Persamaan difusi termal dalam partikel padat, sebagai sumber panas terdistribusi, adalah [51]

$$ \frac{\partial^2{T}_s}{\partial {r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial {T}_s}{\partial r}+\frac {\partial^2{T}_s}{\partial {z}^2}=\frac{1}{\alpha_s}\frac{\partial {T}_s}{\partial t}-\frac{1} {2k}{I}_0\left(1+{\mathrm{e}}^{i\omega t}\kanan) $$ (3)

Persamaan difusi termal dalam medium fluida dasar dapat ditulis sebagai [51]

$$ \frac{\partial^2{T}_l}{\partial {r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial {T}_l}{\partial r}+\frac {\partial^2{T}_l}{\partial {z}^2}=\frac{1}{\alpha_l}\frac{\partial {T}_l}{\partial t} $$ (4)

Perambatan gelombang termal dalam suatu material bergantung pada difusivitas termalnya α = (k /ρc )^1/2 , di mana k menunjukkan konduktivitas termal, ρ kepadatan, dan c kapasitas panas. Gelombang termal merambat T (x ,t ) dalam pendekatan satu dimensi dapat ditemukan dengan memecahkan persamaan kompleks

$$ T\left(x,t\right)={T}_0{e}^{\left(-x/\mu \right)}{e}^{\left[i\left(\omega tx/ \mu \kanan)\kanan]} $$ (5)

dimana σ _j = (1 + i )/μ _j adalah koefisien difusi gelombang termal, μ = (α /πf )^1/2 adalah panjang difusi termal pada frekuensi f , dan adalah difusivitas termal sampel cair; T _o adalah perubahan awal suhu yang dihasilkan oleh sumber, dan gelombang dilemahkan oleh faktor 1/e . Gambar 2a, b dengan jelas menunjukkan peluruhan termal dari amplitudo dan fase gelombang termal (Persamaan 5) sebagai fungsi jarak (kedalaman) dari sumber di x = x ₀ . Laju peluruhan amplitudo curam (eksponensial) menjauhi sumber bergantung pada difusivitas termal medium; semakin tinggi difusivitas, semakin landai kemiringannya. Perilaku serupa diamati untuk fase. Untuk difusivitas termal yang rendah, gelombang termal yang diinduksi memiliki panjang gelombang termal yang pendek dan mengalami atenuasi yang besar. Oleh karena itu, perpindahan panas pada permukaan partikel tidak terjadi, dan efek PT mulai berkurang, karena karakteristik utama gelombang termal adalah meluruhnya kuat [52, 53]. Simulasi ini menunjukkan bahwa efek termal didominasi pada partikel dengan difusivitas termal tinggi dan menyebabkan terkelupasnya permukaan partikel. Dalam penelitian ini, air digunakan sebagai cairan dengan difusivitas termal yang lebih tinggi daripada cairan lainnya, sehingga menghasilkan S/N yang lebih tinggi dibandingkan dengan cairan lainnya.

a Amplitudo dan b fase Persamaan. (5) dengan difusivitas termal α sebagai parameter

Metode

Persiapan Nanofluida

Nanofluida dibuat dengan mendispersikan 0,05 g Al₂ O₃ NP (11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) menjadi 25 ml air deionisasi (DI). Satu volume persen polivinilpirolidon (PVP) (K25, MW–29000, Aldrich Chemistry) ditambahkan untuk menstabilkan nanofluida; Al₂ O₃ NP dalam air memiliki kecenderungan kuat untuk membentuk agregat [54, 55]. Suspensi diaduk dalam waktu sekitar 1 jam kemudian campuran dikenai sonikasi probe selama 30 menit (VCX 500, 25 kHz, 500 W) untuk memastikan distribusi partikel yang homogen. Setelah suspensi dicampur secara menyeluruh selama 30 menit, ukuran hidrodinamik dari partikel yang diaglomerasi dalam larutan dipantau menggunakan DLS.

Proses Fragmentasi Laser

Proses fragmentasi laser oleh sinar laser CW termodulasi digambarkan pada Gambar. 3a. Setup eksperimental untuk laser termodulasi CW adalah eksperimen yang cukup sederhana. Sebuah kuvet berisi 2 ml larutan sampel ditempatkan pada pelat pengaduk dan disinari sepanjang sumbu vertikal dengan dioda CW yang dipompa laser solid state (532 nm, 200 mW, MGL 150(10)). Laser dimodulasi menggunakan perajang optik (SR540) pada frekuensi modulasi 10 Hz, untuk menghasilkan S/N yang cukup tinggi. Laser difokuskan pada sekitar 0,1 mm (2,5 kW/cm² ) dari permukaan larutan dalam kuarsa kuvet menggunakan lensa panjang fokus 10 cm. Pengadukan magnetik dilakukan untuk memastikan distribusi partikel homogen. Proses ini diulangi dalam 10 dan 30 menit. Setelah setiap percobaan, morfologi suspensi koloid yang diperoleh dianalisis dengan TEM (H-7100, Hitachi, Tokyo, Jepang), dan distribusi ukuran Al₂ O₃ NP dalam larutan ditentukan menggunakan perangkat lunak UTHSCSA ImageTool (versi 3.0). Ukuran hidrodinamik partikel yang diaglomerasi dalam larutan diperoleh dari analisis DLS menggunakan Nanophox Analyzer (Sympatec GmbH, D-38678), dan rata-rata diambil dari setidaknya empat pengukuran.

a Diagram blok pengaturan eksperimental yang digunakan dalam fragmentasi partikel oleh sinar laser CW termodulasi dan b tampilan skema sel deteksi konfigurasi photopyroelectric (PPE) untuk pengukuran difusivitas termal

Pengukuran Difusivitas Termal

Rincian setup eksperimental untuk pengukuran difusivitas termal dalam sampel cair dapat ditemukan di tempat lain [56]. Teknik PPE telah terbukti menjadi metode yang berguna untuk menganalisis sifat termal dari beberapa jenis cairan, dengan presisi dan resolusi yang sangat tinggi [51,52,53, 56,57,58,59]. Keuntungan dari teknik ini adalah kami menggunakan volume terbatas yang kecil bersama-sama dengan waktu pengukuran yang singkat [56,57,58,59]. Teknik PPE digunakan untuk mengukur difusivitas termal Al₂ O₃ nanofluida. Gambar 3b menunjukkan ruang atau sel pembangkit sinyal PE yang digunakan dalam teknik PPE. Sel yang berisi foil tembaga (ketebalan 50 μm) bertindak sebagai generator PE dan film polivinilidena difluorida (PVDF) 52-μm (MSI DT1-028 K/L) bertindak sebagai detektor PE, dan sampel nanofluida ditempatkan dalam sel ini. rongga. Karena film PVDF sangat fleksibel, film ini difiksasi dengan lem silikon ke substrat Perspex. Permukaan foil tembaga dilapisi dengan lapisan jelaga karbon yang sangat tipis untuk bertindak sebagai konverter cahaya-ke-panas yang efisien. Intensitas laser dioda (532 nm, 200 mW) dimodulasi oleh perajang optik (SR540) sebelum iluminasi pada foil tembaga. Di dalam sel, gelombang termal merambat melintasi cairan dan mencapai detektor PE, yang menghasilkan sinyal PE yang sebanding dengan intensitas gelombang termal. Sinyal PE yang dihasilkan oleh detektor PVDF dianalisis dengan menggunakan penguat pengunci (SR.530) untuk menghasilkan amplitudo PE dan sinyal fasa. Untuk menghindari getaran dan kemungkinan kontribusi dari sensor PVDF, permukaan belakang bagian bawah dipasang ke wadah Perspex. Percobaan dilakukan untuk pemeriksaan rongga. Frekuensi pada 6,7 Hz dipilih untuk rezim tebal termal untuk amplitudo sinyal yang cukup tinggi dalam sistem. Pengukuran dilakukan pada suhu kamar (sekitar 22 °C). Pengukuran diulang lima kali untuk sampel tertentu, dan nilai difusivitas termal rata-rata diambil. Perangkat lunak LabVIEW, diinstal di PC, digunakan untuk menangkap sinyal PE dan data dianalisis menggunakan Origin 8. Medan suhu dari sistem eksperimental dapat dihitung menurut teori konduksi rongga gelombang termal [57]. Sinyal PE dideteksi oleh sensor PVDF, sinyal PE (V ), ditentukan oleh jarak panjang rongga dan difusivitas termal sampel:

$$ V\left(f,l\right)={V}_0\exp \left(-\left(1+i\right) AL\right) $$ (6) $$ \ln \left|V\ kiri(f,l\kanan)\kanan|=\ln \left|{V}_0\kanan|- AL $$ (7) $$ \varphi ={\varphi}_0- AL $$ (8)

dimana A = (πf /α )^1/2 untuk mendapatkan ekspresi ini, V(f , l) adalah sinyal PE kompleks, V _o dan φ adalah amplitudo dan fase sinyal PE, f adalah frekuensi modulasi, dan α adalah difusivitas termal sampel. Dari parameter kemiringan lereng A = (πf /α )^1/2 fase dan ln(amplitudo) sebagai fungsi pemindaian rongga, difusivitas termal cairan dapat dihitung [58].

Hasil dan Diskusi

Peningkatan Gelombang Panas

Ada beberapa parameter utama yang harus dipertimbangkan untuk menghasilkan amplitudo gelombang termal yang kuat:

a.
Frekuensi modulasi dari lampu modulasi

Dari Persamaan. (5), harus ada frekuensi modulasi yang optimal untuk memaksimalkan amplitudo gelombang termal. Tidak seperti gelombang lainnya, gelombang termal sangat teredam dengan konstanta peluruhan yang sama dengan panjang difusi termal dari medium propagasi [52]. Gelombang termal yang berasal dari tidak lebih dalam dari panjang difusi termal dalam bahan berkontribusi pada perambatan panas [53]. Gelombang termal dipantulkan dan ditransmisikan pada antarmuka dan amplitudo gelombang termal dilemahkan dalam satu panjang difusi termal sampel. Dengan meningkatnya frekuensi modulasi menurut Persamaan. (5), panjang difusi termal berkurang, dan hanya cahaya yang diserap di dalam lapisan permukaan yang berkontribusi pada sinyal, sedangkan gelombang termal akan merambat jauh ke dalam padatan jika material memiliki difusivitas termal yang tinggi atau jika frekuensi gelombang termal rendah. Dalam percobaan, seseorang harus hati-hati memilih frekuensi modulasi untuk mendapatkan puncak resonansi yang tajam (sebenarnya palung). Frekuensi modulasi dipilih dalam rentang spasial. Jika frekuensinya terlalu rendah, sinyalnya kuat, tetapi puncaknya terlalu datar untuk penentuan maksimumnya yang tepat. Sementara jika frekuensinya terlalu tinggi, puncaknya cukup tajam, tetapi rasio signal-to-noise (S/N) terganggu, yang membuat identifikasi posisi puncak menjadi sulit.

Gambar 4 menunjukkan simulasi bagian nyata (dalam-fase) dari sinyal PE sebagai fungsi dari panjang rongga air, pada frekuensi yang berbeda dari 7 Hz sampai 100 Hz. Dapat dilihat bahwa rasio S/N lebih tinggi untuk frekuensi yang lebih rendah, 7 Hz, sedangkan puncaknya terlalu datar untuk penentuan maksimum yang tepat (Gbr. 4a). Namun, puncaknya cukup tajam pada frekuensi yang lebih tinggi, 100 Hz, (Gbr. 4d), dengan sinyal keluaran yang lebih kecil diperoleh, yang membuat identifikasi posisi puncak menjadi sulit [52]. Secara eksperimental ditemukan bahwa dengan 10 Hz sebagai frekuensi operasi, rasio S/N baik dalam rentang frekuensi dan memiliki amplitudo sinyal yang memuaskan dalam sistem.

b.
Penyerapan optik dari nanofluida

Bagian nyata (dalam fase) dari sinyal PE vs panjang rongga relatif untuk air pada frekuensi yang berbeda:a 7 Hz, b 20 Hz, c 50 J, dan h 100 Hz, difusivitas termal air (α _dengan ,=0,00145 cm² .s⁻¹ )

Setiap partikel merupakan benda penghambur dan penyerap cahaya. Energi yang diserap dapat diubah menjadi panas, dan penjumlahan dari penyerapan cahaya partikel adalah pemadaman termal. Amplitudo gelombang termal dapat ditingkatkan dengan meningkatkan penyerapan optik [52, 59] dengan di nanofluida. Ukuran partikel, bentuk, dan fraksi volume, serta pergantian cairan dasar, memiliki pengaruh besar pada penyerapan optik nanofluida. Al₂ O₃ /air nanofluida memiliki penyerapan optik yang baik. Energi optik yang menyerap 13% air meningkat dengan Al₂ O₃ NP dalam cairan dasar dan lebih ditingkatkan ketika konsentrasi NP meningkat. Dengan konsentrasi NP yang tinggi, cahaya yang datang dari setiap partikel diserap dalam lapisan permukaan yang tipis.

c.
Kapasitas panas spesifik nanofluida

Fabrikasi ukuran partikel kecil Al₂ O₃ dalam larutan dengan menggunakan fragmentasi laser CW termodulasi dapat meningkatkan penyimpanan panas nanofluida, karena fakta bahwa kapasitas panas spesifik fluida dasar menurun dengan penurunan ukuran partikel dan peningkatan jumlah NP, karena peningkatan luas permukaan-untuk -rasio volume partikel [6]. Oleh karena itu, kapasitas panas spesifik yang lebih kecil dari nanofluida memungkinkan amplitudo gelombang termal karena peningkatan suhu dan perpindahan panas.

d.
Difusivitas termal nanofluida

Panas ditransfer dari partikel padat ke media sekitarnya diikuti oleh ekspansi gelombang termal, di mana amplitudo gelombang termal (TWs) adalah fungsi kuat dari difusivitas termal. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, difusivitas termal yang lebih besar biasanya lebih disukai untuk panjang difusi termal yang lebih tinggi dan amplitudo gelombang termal di bawah permukaan meluruh perlahan. Oleh karena itu, difusivitas termal yang besar dari fluida dasar sangat penting untuk perpindahan panas yang efektif dari partikel padat ke fluida, sehingga memaksimalkan pembangkitan gelombang termal. Dalam pekerjaan ini, air dengan difusivitas termal tinggi (0,00145 cm² /s) adalah cairan dasar yang baik untuk pembangkitan gelombang termal yang efisien. Difusivitas termal air meningkat dengan meningkatnya jumlah NP, karena meningkatnya gerakan Brown [56]. Difusivitas termal yang lebih tinggi dan panas spesifik yang lebih kecil dari Al₂ O₃ nanofluida dibandingkan dengan air memungkinkannya menjadi generator gelombang termal yang sangat baik.

Hasil Eksperimen

Fragmentasi Laser Al₂ O₃ Nanopartikel

Gambar TEM menunjukkan ukuran rata-rata dan distribusi ukuran Al₂ O₃ NP dalam air deionisasi/larutan PVT sebelum dan sesudah penyinaran 10 menit dan 30 menit ditunjukkan pada Gambar. 6. Dapat dilihat bahwa bahan yang dikumpulkan terdiri dari kelompok partikel berbentuk hampir bulat, tersebar dalam bahan yang sangat berpori. Beberapa aglomerasi dengan diameter sekitar 100 nm diamati dan ukuran rata-rata Al₂ O₃ NP sekitar 16,4 ± 7,8 nm (Gbr. 5a). Kisaran bahan berpori berkurang dan ukuran partikel rata-rata ditemukan menjadi 14,2 ± 5.4 nm setelah 10 menit penyinaran (Gbr. 5b). Gambar 5c menunjukkan bahwa Al₂ O₃ NP terdistribusi hampir merata dan ukurannya sempit (12,03 ± 3,5 nm) setelah 30 menit penyinaran sebagai akibat dari penyerapan energi laser yang mengarah pada fragmentasi partikel [25]. Namun, tingkat fragmentasi partikel menurun ketika NP mencapai ukuran kritisnya setelah 30 menit penyinaran. Peningkatan jumlah partikel mengakibatkan peningkatan konsentrasi NP, dan aglomerasi partikel kecil ini sehingga penyerapan cahaya partikel dalam larutan menurun. Data yang diperoleh menunjukkan bahwa pengaruh penyinaran laser terhadap ukuran distribusi lebih besar dari pada ukuran partikel [11].

Gambar TEM dan histogram ukuran relatif dari Al₂ O₃ -NP a sebelum (16,4 ± 7.8 nm) dan setelah penyinaran laser, pada b 10 min (14.2 ± 5.4 nm), dan pada c 30 min (12.03 ± 3.5 nm), masing-masing

Diameter hidrodinamik Al₂ O₃ partikel dalam nanofluida dapat memberikan informasi tentang stabilitas nanofluida. Gambar 6 menunjukkan fungsi densitas distribusi NP dalam suspensi (a) tanpa dan dengan iradiasi setelah (b) 10 min dan (c) 30min. Gravitasi dari kurva densitas memberikan diameter bola rata-rata. Selain itu, ukuran partikel hidrodinamik yang sempit diperoleh ketika paparan laser setelah 10 dan 30 menit (b dan c), sedangkan partikel sebelum iradiasi memiliki antarmuka yang tersebar luas yang menunjukkan tingkat polidispersitas yang lebih besar (Gbr. 6a). Data yang diperoleh menunjukkan bahwa kurva distribusi yang lebih tajam dari partikel yang sangat homogen diperoleh setelah iradiasi laser. Ini bisa jadi karena fragmentasi partikel setelah iradiasi laser. Waktu penyinaran laser yang lebih lama menghasilkan fragmentasi partikel yang lebih tinggi dan karenanya jumlah partikel yang lebih tinggi dalam larutan dengan distribusi yang tajam. Diamati bahwa kecenderungan untuk menggumpal meningkat dengan peningkatan jumlah partikel yang lebih kecil di dalam air [7, 54, 55]. Gambar 6d menunjukkan distribusi diameter hidrodinamik Al₂ O₃ partikel dalam nanofluida dengan diameter 87.7 ± 14.59 nm, dan 90.97 ± 9.21 nm dan 91.57±2.61 nm untuk sebelum dan sesudah 10 dan 30 min iradiasi, masing-masing. Ditemukan bahwa distribusi ukuran partikel menurun dari ~ 15 menjadi ~ 3 nm, ketika waktu penyinaran meningkat dari 0 hingga 30 min, masing-masing. Fragmentasi aglomerat terjadi melalui penyerapan langsung laser dengan hasil akhir partikel yang hampir seragam dalam distribusi ukuran seperti yang terlihat dari data Nanophox dan TEM. Data yang diperoleh menunjukkan bahwa pengaruh penyinaran laser terhadap ukuran distribusi lebih besar dari pada ukuran partikel. Namun, ukuran hidrodinamik NP yang diperoleh dari penganalisis Nanophox selalu lebih besar dari ukuran partikel kering yang diperoleh dari TEM karena diameter rata-rata hidrodinamik adalah ukuran partikel yang diaglomerasi dalam larutan. Distribusi tajam dan efek pengurangan ukuran yang diamati di sini telah dilaporkan dalam literatur [7,8,9,10, 16,17,18,19,20,21,22,23].

Densitas distribusi ditentukan menggunakan penganalisis Nanophox dari Al₂ O₃ partikel dalam suspensi a tanpa, dengan penyinaran setelah b 10 menit dan c 30 menit, dan d distribusi diameter hidrodinamik NP dalam nanofluida sebagai fungsi waktu penyinaran

Pengukuran Difusivitas Termal

Untuk mengukur efek iradiasi laser pada difusivitas termal nanofluida, pertama-tama, pengaturan eksperimental dikalibrasi menggunakan air suling sebagai cairan standar. Difusivitas termal diukur dari pemasangan sinyal PE dari ln (amplitudo) (Persamaan (7)) dan fase (Persamaan (8)) versus panjang rongga. Rata-rata untuk air suling adalah (1.4460.011) × 10⁻³ cm² /s, yang berbeda < 1% dari literatur [56]. Gambar 7 menunjukkan plot linier amplitudo logaritmik versus panjang rongga Al₂ O₃ nanofluida pada waktu penyinaran laser yang berbeda dari 0 hingga 30 min sebagai fungsi dari panjang rongga relatif. Kemiringan sinyal PE (ln (amplitudo), fase, dan rata-rata) dan nilai difusivitas termal yang dihasilkan yang diukur dalam penelitian ini diringkas dalam Tabel 1.

Amplitudo logaritma tipikal sebagai fungsi dari panjang rongga relatif Al₂ O₃ nanofluida pada waktu iradiasi yang berbeda [0, 10, dan 30 min]

Difusivitas termal menunjukkan peningkatan dibandingkan dengan fluida dasar. Namun, untuk nanofluida tanpa iradiasi, difusivitas termal adalah (1.444 ± 0.008) × 10⁻³ cm² /s, yang lebih rendah dari fluida dasar. Ini bisa jadi karena difusivitas termal PVP yang rendah dalam nanofluida. Difusivitas termal secara bertahap meningkat sekitar 3-6% setelah iradiasi laser, yang didefinisikan sebagai efek penuaan [56, 57]. Peningkatan difusivitas termal dengan waktu penyinaran yang lebih lama merupakan konsekuensi dari penurunan ukuran cluster dan aglomerat, karena fragmentasi NP yang lebih besar [7,8,9,10]. Secara umum, kerapatan jumlah partikel atau fraksi volume partikel meningkat dan terbukti bahwa pengurangan ukuran partikel meningkatkan efek pencampuran skala nano, seperti gerakan Brown [56]. Oleh karena itu, ini dapat membantu meningkatkan difusivitas termal nanofluida. Namun, peningkatan jumlah partikel dalam larutan memiliki pengaruh pada laju fragmentasi laser, karena redaman sinar laser dalam cairan pada konsentrasi tinggi.

Pada prinsipnya, interaksi antara sinar laser CW (dalam percobaan kami 10³ L/cm² ) dan Al₂ O₃ cluster diatur oleh efek termal yang tergantung pada karakteristik radiasi laser dan sifat partikel. Oleh karena itu, banyak penelitian telah diarahkan untuk mengurangi ukuran partikel menggunakan berbagai laser nanodetik (ns) dan femtodetik (fs) yang berjalan pada durasi pulsa yang berbeda [13,14,15,16,17,18,19, 21, 25, 26,27]. Secara kebetulan, hasil yang sama persis diperoleh melalui eksperimen kami. Sebagai hasil dari nanofluida, dalam iradiasi laser, waktu terutama mempengaruhi partikel daripada ukurannya. Ini mungkin karena efek iradiasi laser pada fragmentasi partikel yang diaglomerasi menjadi NP yang lebih kecil sehingga meningkatkan distribusi partikel homogen dari Al₂ O₃ nanofluida. These results demonstrated the surprisingly narrow distributions, with size dispersions in the order of the mean size, which was confirmed by measuring TEM and Nanophox results. This suggested that the NPs were excited and heated by irradiation of the modulated CW laser with some heat loss to the surrounding water, while the absorption of the laser energy by the particles could cause further fragmentation of the particles to smaller possible sizes thus increasing the total number of particles in the solution [28]. In addition, the distribution of particle also decreased with an increase in the laser irradiation time, which has been reported with other materials, such as metal [11, 13, 14, 17] and metal oxide [9, 10, 29].

Kesimpulan

In conclusion, we confirmed that the modulated continuous wave laser can be used as a good photothermal light sources to generate the thermal waves for fragmentation of the clustered Al₂ O₃ particles and enhancing the thermal diffusivity of the Al₂ O₃ nanofluids. Modulated CW laser technique shows an enormous promise for accurate characterization of the particle size distribution of Al₂ O₃ nanofluids. There are some controlled experiments to optimize the thermal wave generation efficiency, such as the size of the particles, modulation frequency, thermal properties of particles, and base fluid. The results showed that the effect of laser irradiation on the distribution size was more on the size of particles. The thermal diffusivity of the Al₂ O₃ nanofluid increased to 3–6% with the increase of irradiation times, due to the fragmentation of the NPs which in turn increased the total number of particles in the solution. Therefore, from this work, it predicated that inexpensive and compact CW diode lasers can be successfully designed and employed for the fragmentation of NPs in nanofluids.