Nanofluidi: introduzione fenomenologica ed applicazioni

I nanofluidi sono sospensioni colloidali di nanoparticelle, di diametro dell’ordine dei µm, in liquidi (come acqua, olio). Sono utilizzati per migliorare le proprietà del fluido a livello macroscopico, in particolare termiche e fisiche. Il colloide è una miscela in cui una sostanza è dispersa nell’altra e questa risulta insolubile e non precipita. È importante che la sospensione sia stabile attraverso l’utilizzo di surfattanti.

Come si ottiengono i nanofluidi?

Un nanofluido deve essere una soluzione colloidale stabile ed omogenea. Per realizzare tale soluzione, esistono due tecniche:

Metodo one-step

Le nanoparticelle sono disperse nei fluidi grazie ad agitazione meccanica con ultrasuoni. Questo metodo non è efficace nel caso di nanoparticelle di ossidi poiché tendono a formare agglomerati (cluster). Questi fanno in modo che il  diametro medio delle nanoparticelle aumenti e si ha perdita delle proprietà fisiche.

Metodo two-step

La sintesi e la dispersione delle nanoparticelle nel fluido base avvengono simultaneamente.  

Nanofluidi: componenti

I fluidi base sono principalmente acqua, oli, glicoli etilenici. Le nanoparticelle più utilizzate sono metalli, nitruri, non metalli, nanotubi di carbonio e carburi metallici. Il problema delle nanoparticelle è l’instabilità poiché tendono a non disperdersi omogeneamente in soluzione. Per questo motivo si utilizzano i surfattanti che hanno il compito di omogeneizzare la dispersione delle particelle nel fluido. Inoltre, evitano la nascita di precipitati e altri fattori problematici causa di criticità per il nano-fluido.

Purificazione acqua con fotocatalisi

È possibile ottenere la purificazione dell’acqua attraverso l’utilizzo di nanoparticelle di biossido di Titanio (TiO2) o di ossido di Zinco (ZnO) all’interno dell’acqua. Quando queste particelle sono colpite dalla radiazione solare, si innescano delle reazioni di ossido-riduzione (Redox) con particelle dannose presenti (virus, batteri,ecc.). Il risultato ottenuto è la decomposizione di queste sostanze con la conversione in molecole più semplici come la CO2. È quindi possibile la produzione di acqua pura partendo da acque reflue.

Solare a concentrazione

Negli impianti solari termodinamici, l’energia irradiata dal sole è concentrata su un ricevitore che trasporta un fluido termovettore. È possibile utilizzare nanoparticelle all’interno del fluido con efficienti proprietà ottiche. Da qui segue la produzione di energia elettrica grazie alla presenza di una turbina a vapore.

L’obiettivo dell’utilizzo di nanofluidi, quindi di inserire nanoparticelle all’interno del fluido termovettore, è ottimizzare le proprietà del fluido termovettore. Con nanoparticelle di TiO2 aumenta la conducibilità di oltre il 50% ed il calore specifico isobaro fino al 35%.  In questo contesto riuscire a ottimizzare le proprietà del mezzo di trasferimento del calore, significa poter aumentare la produttività stessa degli impianti solari.

Solare termico

Anche negli impianti solari termici possono essere utilizzati i nanofluidi. Il sole irradia energia sul pannello ed il fluido termovettore asporta calore dall’assorbitore selettivo in rame. L’obiettivo in questo caso è quello di ridurre al minimo le perdite termiche. Utilizzando il nanofluido come assorbitore è possibile ridurre le perdite termiche rispetto ad una superficie selettiva. Il vantaggio in termini di efficienza si ottiene grazie ad una minore temperatura di parete con riduzione delle perdite convettive. Come nanoparticelle possono essere utilizzati i nanotubi di carbonio. Sono dei fogli di grafene ripiegati, aventi ottime proprietà ottiche e termiche, per massimizzare l’assorbimento ed innalzare la conducibilità del fluido.La conducibilità termica è elevata grazie ai fononi che si propagano lungo il tubo.

Sviluppi futuri per i nanofluidi

I nanofluidi oggi aprono nuove sfide ed opportunità per migliorare le efficienze nei processi chimici e fisici. Tuttavia, per alcuni nanofluidi, è importante tener conto della tossicità degli elementi di cui sono composti. Gli ossidi metallici o particelle di carbonio se disperse in atmosfera possono recare danni alla salute umana.  Essendo simili al particolato, poiché  hanno una dimensione nell’ordine dei µm,  possono provocare patologie più o meno gravi alle vie respiratorie.  La ricerca spinge verso la progettazione di nanofluidi non tossici garantendo pur sempre un incremento delle proprietà chimico-fisiche del fluido.

Articolo a cura di Marco VILLANI