НАНОФЛЮИДЫ Российский патент 2024 года по МПК B01J19/06 B01J19/08 C09K5/10 B22F9/16 B22F9/30 G21G1/12 B82Y40/00 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к области нанофлюидов и к способам изготовления нанофлюидов.

Уровень техники

Текучие среды, содержащие суспендированные наночастицы и общеизвестные как нанофлюиды, приобретают всемирный интерес с точки зрения как науки, так и промышленности. Указанные нанофлюиды предназначены, например, для улучшения термических эксплуатационных характеристик промышленных теплопередающих систем. Нанофлюиды проявляют превосходные термические свойства, такие как повышенные значения теплопроводности, вязкости, коэффициента теплопередачи, диэлектрической прочности и т. д. Однако могут возникать проблемы устойчивости, поскольку наночастицы обычно проявляют склонность к агломерации и образованию осадка, что ухудшает указанные свойства, особенно в тех случаях, когда изготовление осуществлено с применением обычных технологий, широко опубликованных в технической литературе.

Соответственно, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованный способ изготовления нанофлюидов, которые проявляют улучшенные физические и химические свойства и повышенную устойчивость по сравнению с нанофлюидами, известными в технике.

Раскрытие изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления нанофлюида, причем способ включает радиоактивное облучение смеси основной текучей среды и вещества-предшественника с образованием нанофлюида.

Согласно варианту осуществления способ может включать вращение смеси и пучков радиоактивного излучения по отношению друг к другу, предпочтительно вращение смеси по отношению к пучкам радиоактивного излучения, таким образом, чтобы равномерно облучать смесь и предотвращать агломерацию наночастиц, которые образуются в течение радиолиза вещества-предшественника.

Согласно варианту осуществления основная текучая среда может представлять собой воду или органический растворитель, такой как гликоль, предпочтительно этиленгликоль.

Согласно варианту осуществления вещество-предшественник может представлять собой соль металла, в качестве которой выбирают соль меди или соль серебра, или их сочетание.

Согласно варианту осуществления радиоактивное облучение может быть осуществлено с применением гамма-излучения.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложена система для изготовления нанофлюидов, причем система содержит:

контейнер для содержания смеси вещества-предшественника и основной текучей среды;

источник радиоактивного излучения, находящийся в связи с контейнером для производства радиоактивного излучения и выполненный с возможностью облучения смеси, содержащейся в контейнере, чтобы упрощать радиолиз смеси с образованием нанофлюида.

Согласно варианту осуществления источник радиоактивного излучения может представлять собой содержащий кобальт-60 источник гамма-излучения, выполненный с возможностью производства дозы излучения, составляющей 1 кГр.

Согласно варианту осуществления система может содержать вращающуюся платформу или вращающийся стол, выполненный с возможностью вращения контейнера в течение облучения.

Согласно варианту осуществления основная текучая среда может представлять собой воду или органический растворитель, такой как гликоль, предпочтительно этиленгликоль.

Согласно варианту осуществления вещество-предшественник может представлять собой соль металла, в качестве которой выбирают соль меди или соль серебра или любую другую подходящую соль металла, или их сочетание.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен нанофлюид, содержащий наночастицы, образующиеся в результате радиоактивного облучения смеси вещества-предшественника и основной текучей среды.

Согласно варианту осуществления основная текучая среда может представлять собой воду или органический растворитель, такой как гликоль, предпочтительно этиленгликоль.

Согласно варианту осуществления вещество-предшественник может представлять собой соль металла, в качестве которой выбирают соль меди или соль серебра или любую другую подходящую соль металла, или их сочетание.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен нанофлюид, изготовленный в соответствии со способом согласно первому аспекту настоящего изобретения.

Краткое описание фигур

Объекты и признаки настоящего изобретения становятся вполне очевидными из следующего описания, рассматриваемого в сочетании с сопровождающими фигурами. Принимая во внимание, что на указанных фигурах проиллюстрированы лишь типичные варианты осуществления настоящего изобретения, их не следует рассматривать, таким образом, в качестве ограничивающих объем настоящего изобретения, которое будет описано и разъяснено с дополнительными конкретными деталями и подробностями посредством следующих сопровождающих фигур.

На фиг. 1 представлена система для применения при изготовлении нанофлюидов;

на фиг. 2 представлены результаты просвечивающей электронной микроскопии наноразмерных частиц Ag, синтезированных в процессе радиолиза AgNO₃ в этиленгликоле или воде;

на фиг. 3 представлены результаты энергодисперсионного элементного анализа наноразмерных частиц Ag, синтезированных в процессе радиолиза AgNO₃ в этиленгликоле или воде;

на фиг. 4 представлены результаты электронной дифракции выбранной области наноразмерных частиц Ag, синтезированных в процессе радиолиза AgNO₃ в этиленгликоле или воде;

на фиг. 5 представлены спектры поглощения суспензий наноразмерных частиц Ag, синтезированных в процессе радиолиза AgNO₃ в воде с применением различных доз гамма-излучения;

на фиг. 6 представлена теплопроводность суспензий наноразмерных частиц Ag в воде, измеренная стандартным методом с применением платиновой проволоки и демонстрирующая относительное увеличение на 16% по сравнению с чистой водой;

на фиг. 7 представлена теплопроводность суспензий наноразмерных частиц Ag в этиленгликоле, измеренная стандартным методом с применением платиновой проволоки и демонстрирующая относительное увеличение на 30% по сравнению с чистым этиленгликолем; и

на фиг. 8 представлена блок-схема высокого уровня, демонстрирующая способ изготовления нанофлюида.

Осуществление изобретения

Хотя в настоящем документе описаны и проиллюстрированы разнообразные изобретательские аспекты, концепции и признаки настоящего изобретения, которые могут быть реализованы в сочетании согласно примерным вариантам осуществления, указанные разнообразные аспекты, концепции и признаки могут быть использованы в многочисленных альтернативных вариантах осуществления, в том числе индивидуально или в разнообразных соответствующих комбинациях и субкомбинациях. Если это определенно не исключено в настоящем документе, все такие комбинации и субкомбинации предназначены для включения в объем настоящего изобретения. Кроме того, несмотря на разнообразные альтернативные варианты осуществления в отношении разнообразных аспектов, концепций и признаков настоящего изобретения, в настоящем документе могут быть описаны такие альтернативные структуры, конфигурации, способы, устройства и компоненты, которые представляют собой альтернативы в отношении формы, соответствия и функции и так далее, причем такие описания не предназначены в качестве полного или исчерпывающего списка доступных альтернативных вариантов осуществления, включая известные в настоящее время или разработанные впоследствии варианты осуществления.

Специалисты в данной области техники могут легко принимать один или несколько из аспектов, концепций или признаков в качестве дополнительных вариантов осуществления и приложений в пределах объема настоящего изобретения, даже если такие варианты осуществления не являются определенно описанными в настоящем документе. Кроме того, могут быть включены примерные или представительные значения и диапазоны, чтобы содействовать пониманию настоящее изобретение; однако такие значения и диапазоны не следует истолковывать в качестве ограничивающих смысл, и они предназначены в качестве критических значений или диапазонов, лишь если это указано определенным образом. Кроме того, хотя разнообразные аспекты, концепции или признаки могут быть определенным образом представлены в качестве изобретательских или составляющих часть настоящего изобретения, такое определение не предназначено в качестве исключительного, но это могут быть аспекты, концепции и признаки настоящего изобретения, которые в полной мере описаны в настоящем документе без определенного представления их в указанном качестве или в качестве части настоящего изобретения.

Как можно видеть на фигурах (фиг. 1), предложена система 10 для изготовления нанофлюидов. Система 10 содержит каркас 12, имеющий первую торцевую стенку 14, в которой определено отверстие, через которое проходит внутрь источник гамма-излучения 16, в частности, содержащий ⁶⁰Co источник гамма-излучения, чтобы направлять гамма-излучение 18 по траектории 20 пучка. Система 10 содержит мостик 22, закрепленный между противоположными продолговатыми боковыми стенками 24, 26. Вращающийся стол 28 прикреплен к мостику 22. Система 10 дополнительно содержит контейнер 30, как правило, прозрачный контейнер, в котором содержится смесь 32 основной текучей среды, такой как вода или этиленгликоль (EG), и заданное количество вещества-предшественника, причем вещество-предшественник может представлять собой соль (например, нитрат, ацетат, хлорид, сульфат, и т. д.), например, серебра (Ag), золота (Au) или меди (Cu). Система 10 дополнительно содержит вторую торцевую стенку 34, которая является противоположной по отношению к первой торцевой стенке 14. Противоположные боковые стенки 24, 26 и вторая торцевая стенка 34 определяют корпус для защиты окружающей каркас среды от гамма-излучения.

В процессе применения вышеупомянутая смесь 32 находится в контейнере 30. Контейнер 30 функционально направляет источник гамма-излучения таким образом, что траектория 20 пучка гамма-излучения 18 может проходить через смесь 32. Доза гамма-излучения 18, которое должно облучать смесь 32, может быть задана в зависимости от концентрации вещества-предшественника в основной текучей среды, например, небольшая доза, составляющая приблизительно 0,95 кГр, может быть излучена излучателем 18. Вращающийся стол 28 автоматически вращается в системе 10 (например, под действием двигателя (не проиллюстрированного), который выполнен с возможностью вращения вращающегося стола) с заданной скоростью вращения, для обеспечения того, чтобы происходило равномерное облучение смеси для упрощения диссоциации или радиолиза соли вещества-предшественника (под действием радиоактивного излучения, представляющего собой гамма-излучение) с образованием нерастворенных металлических наночастиц, которые суспендируются в основной текучей среде, в которой присутствуют остальные элементы/соединения, образующиеся в результате диссоциации соли. Вращение контейнера 30 обеспечивает, что смесь 32 равномерно облучается, как правило, посредством воздействия на все стороны смеси 32 дозы облучения одинаковой величины, например, посредством вращения смеси по отношению к направлению прохождения траектории 20 пучка гамма-излучения 18. Кроме того, вращение контейнера 30 предотвращает агломерацию наночастиц, которые образуются в течение процесса радиолиза, и обеспечивает перемешивание смеси в непрерывном цикле в горизонтальном и вертикальном направлениях или наоборот.

На фиг. 2 представлены результаты просвечивающей электронной микроскопии наноразмерных частиц Ag, синтезированных в процессе радиолиза AgNO₃ в этиленгликоле или воде (H₂O).

Размер наночастиц Ag составляет менее чем 100 нм. Получаемое множество наночастицы Ag, как правило, является полидисперсным. В этом типичном случае размер изменяется в диапазоне от 3 нм до 7 нм. Хотя наночастицы Ag не подвергаются чрезмерной агломерации, они все же проявляют склонность к образованию сетки из цепей наночастиц Ag. Предположено, что такая геометрия является благоприятной для улучшения теплопроводности в составе содержащей частицы основной текучей среды, представляющей собой жидкость. Отмечено, что такая агломерация исчезает в результате ультразвуковой обработки или в случае небольшого нагревания нанофлюида.

На фиг. 3 представлены результаты энергодисперсионного элементного анализа наноразмерных частиц Ag, синтезированных в процессе радиолиза AgNO₃ в этиленгликоле или воде. Наблюдаемый углерод в нижнем канале обусловлен углеродным покрытием, используемым в целях сокращения до минимума накопления Fe. Аналогичным образом, пики Cu обусловлены медью, покрытой углеродом и используемой в качестве подложки для исследования методом электронной микроскопии. Пики Fe обусловлены примесями в исходном используемом предшественнике AgNO₃. Поскольку Fe и Ag не смешиваются, вероятно, что примесь Fe состоит из кластеров Fe или значительно меньших наночастиц железа или оксида железа.

На фиг. 4 представлены результаты электронной дифракции выбранной области наноразмерных частиц Ag, синтезированных в процессе радиолиза AgNO₃ в этиленгликоле или воде. Состоящая из колец и точек дифрактограмма подтверждает поликристалличность наночастиц Ag. Первые кольцевые области соответствуют брэгговской дифракции Ag (111), (200) и (220).

На фиг. 5 представлены спектры поглощения суспензий наноразмерных частиц Ag, синтезированных в процессе радиолиза AgNO₃ в воде с применением различных доз гамма-излучения. Характеристические плазмонные пики наблюдаются для различных доз гамма-излучения, включая очень высокие (5-a) и высокие (5-b) дозы. Здесь представлена плазмонная характеристическая картина суспензии наночастиц Ag в этиленгликоле для доз в диапазоне от 0,95 кГр до 2,45 к Гр. Даже при низкой дозе, составляющей 0,95 кГр, можно различить характеристический плазамонный пик наночастиц Ag. Кроме того, ширина на полувысоте плазмонного пика является постоянной, что предполагает отсутствие значительного изменения размера наночастиц Ag в зависимости дозы, несмотря на полидисперсность, которая продемонстрирована на фиг. 2.

На фиг. 6 представлена теплопроводность суспензий наноразмерных частиц Ag в воде, измеренная стандартным методом с применением платиновой проволоки и демонстрирующая относительное увеличение на 16% по сравнению с чистой водой.

На фиг. 7 представлена теплопроводность суспензий наноразмерных частиц Ag в этиленгликоле, измеренная стандартным методом с применением платиновой проволоки и демонстрирующая относительное увеличение на 30% по сравнению с чистым этиленгликолем.

Как представлено на фиг. 8, предложена блок-схема высокого уровня, демонстрирующая способ 100 изготовления нанофлюида. Способ 100 включает изготовление смеси вещества-предшественника (например, соли Ag, такой как AgNO₃) в основной текучей среде 102, такой как вода или этиленгликоль. Способ 100 дополнительно включает радиоактивное облучение смеси с применением радиоактивного излучения 104, такого как гамма-излучение, для упрощения радиолиза вещества-предшественника (AgNO₃) с образованием суспендированных нерастворенных твердых частиц (частиц Ag) и растворенного вещества (такого как нитрат), которое поступает в основную текучую среду, и которое вместе с нерастворенными твердыми частицами образует нанофлюид в соответствии с настоящим изобретением. Способ 100 дополнительно включает равномерное облучение смеси, как правило, посредством воздействия на все стороны, т. е. на всю массу смеси с применением дозы облучения одинаковой величины, например, посредством вращения смеси по отношению к направлению движения траектории пучка гамма-излучения.

Заявитель наблюдал, что сочетание равномерной дозы облучения приводит к практическому отсутствию осаждения суспендированных наночастиц. Согласно наблюдениям, образующийся нанофлюид проявляет улучшенные свойства по сравнению с нанофлюидами, известными в технике.

Настоящее изобретение относится к нанофлюиду, изготовленному посредством радиоактивного облучения смеси, в которой содержатся вещество-предшественник и основная текучая среда. Настоящее изобретение распространяется на способ изготовления нанофлюида. Настоящее изобретение также распространяется на систему для применения при изготовлении нанофлюида. Сочетание равномерной дозы облучения приводит к практическому отсутствию осаждения суспендированных наночастиц. Согласно наблюдениям образующийся нанофлюид обладает улучшенными свойствами по сравнению с нанофлюидами, известными в технике. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ изготовления нанофлюида, включающий воздействие гамма-излучения на смесь, содержащуюся в контейнере и представляющую собой смесь основной текучей среды и вещества-предшественника, при этом при воздействии гамма-излучения на смесь контейнер и, соответственно, смесь вращаются по отношению к пучкам гамма-излучения таким образом, чтобы равномерно облучать смесь и предотвращать агломерацию наночастиц, которые образуются в течение радиолиза предшественника, причем контейнер и, соответственно, смесь вращаются таким образом, что ось вращения контейнера является перпендикулярной по отношению к направлению движения пучков гамма-излучения, что обеспечивает воздействие гамма-излучения на все стороны контейнера и в результате этого на смесь в течение вращения.

2. Способ по п. 1, в котором в качестве основной текучей среды выбирают воду или органический растворитель, такой как гликоль, предпочтительно этиленгликоль.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором вещество-предшественник представляет собой соль металла, в качестве которой выбирают соль меди, соль серебра или любую другую подходящую соль металла, или их сочетание.

4. Система для применения при изготовлении нанофлюида, содержащая:

контейнер для содержания смеси предшественника и основной текучей среды;

источник гамма-излучения, обращенный к стороне контейнера для воздействия гамма-излучения через контейнер; и

вращающуюся платформу или вращающийся стол в качестве опоры контейнера, расположенный таким образом, что ось вращения контейнера ориентирована перпендикулярно по отношению к направлению перемещения гамма-излучения, которое производит источник гамма-излучения, причем вращающаяся платформа выполнена с возможностью вращения контейнера в течение облучения таким образом, что смесь, содержащаяся в контейнере, вращается по отношению к пучкам гамма-излучения, и в результате этого происходит равномерное облучение смеси.

5. Система по п. 4, в которой в качестве основной текучей среды выбирают воду или органический растворитель, такой как гликоль, предпочтительно этиленгликоль.

6. Система по п. 4 или 5, в которой вещество-предшественник представляет собой соль металла, в качестве которой выбирают соль меди, соль серебра или любую другую подходящую соль металла, или их сочетание.