Θερμική αγωγιμότητα νανορευστών

Abstract

Η παρούσα διατριβή αναφέρεται στη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας των νανορευστών, τα οποία είναι αιωρήματα νανοσωματιδίων σε διαφορά ρευστά. Η μέτρηση γίνεται με τη μέθοδο του Θερμαινόμενου Σύρματος σε Μη-Μόνιμη Κατάσταση με διαμόρφωση της διάταξης που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια της εργασίας αυτής. Απαραίτητα στάδια πριν από τη μέτρηση είναι ο χαρακτηρισμός των πρώτων υλών, η παρασκευή των αιωρημάτων νανοσφαιριδίων ή νανοσωλήνων άνθρακα και ο χαρακτηρισμός των νανορευστών που προκύπτουν. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η νέα κατηγορία ρευστών που μελετήθηκε, τα “νανορευστά”. Δίνονται πληροφορίες για τη φύση τους και τους τρόπους παρασκευής τους. Επιπλέον, επισημαίνονται οι λόγοι που οδήγησαν στη μελέτη των συστημάτων αυτών, καθώς παρουσιάζουν μοναδικές ιδιότητες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πληθώρα εφαρμογών. Ακόμη, γίνεται ανασκόπηση των μεθόδων που εφαρμόζονται σήμερα για τη μέτρηση της φαινομενικής θερμικής αγωγιμότητας των νανορευστών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κύρια σημεία της θεωρίας της μεθόδου του Θερμαινόμενου Σύρματος σε Μη-Μόνιμη Κατάσταση, η οποία χρησιμοποιήθηκε εδώ. Παρουσιάζονται οι βασικές θεωρητικές αρχές του μοντέλου, καθώς και οι αποκλίσεις από αυτό. Ακόμη, περιγράφεται η αναλυτική και η αριθμητική λύση που εφαρμόστηκαν για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας των νανορευστών. Στο επόμενο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή της νέας διαμόρφωσης της πειραματικής διάταξης που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε για τη μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας τόσο απλών ρευστών, όσο και νανορευστών. Η νέα διάταξη έχει το πλεονέκτημα ότι με την ίδια συσκευή μπορούν να μετρηθούν υγρά, αλλά και τα αιωρήματα των νανοδομών σε υγρά. Παράλληλα, παρουσιάζεται η ηλεκτρονική διάταξη με δυνατότητα αυτόματης δειγματοληψίας των πειραματικών σημείων, η οποία χρησιμοποιείται για πρώτη φορά για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας νανορευστών. Επιπλέον, παρατίθενται οι εξισώσεις λειτουργίας της πειραματικής διάταξης, συζητείται η μεθοδολογία υπολογισμού της θερμικής αγωγιμότητας των νανορευστών, καθώς και η ακρίβεια των πειραματικών μετρήσεων. Στη συνέχεια, στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η διαδικασία χαρακτηρισμού των πρώτων υλών (νανοσφαιριδίων) που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή νανορευστών και ακόλουθα παρατίθεται η μέθοδος που ακολουθήθηκε για την προετοιμασία των αιωρημάτων των νανοσωματιδίων. Σημειώνεται ότι στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν ως διασπαρμένη φάση νανοσωματίδια Cu, SiC και νανοδιαμάντια. Ακόμη, παρατίθεται η διαδικασία χαρακτηρισμού των κολλοειδών συστημάτων των νανορευστών που παρασκευάστηκαν. Αξίζει να αναφερθεί ότι για το χαρακτηρισμό των νανοσφαιριδίων και των αιωρημάτων χρησιμοποιήθηκαν τόσο μικροσκοπικές, όσο και φασματοσκοπικές μέθοδοι. Σε αντιστοιχία με την προηγούμενη ενότητα, στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται ο χαρακτηρισμός των πρώτων υλών (πολυστρωματικών και ολιγοστρωματικών σωλήνων άνθρακα), όπως επίσης και ο τρόπος προετοιμασίας των αιωρημάτων των νανοσωλήνων άνθρακα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η διαδικασία χαρακτηρισμού των νανορευστών που παρασκευάστηκαν. Σημειώνεται ότι για το χαρακτηρισμό τόσο των νανοσωλήνων, όσο και των αιωρημάτων τους, χρησιμοποιήθηκαν και σε αυτήν την περίπτωση μικροσκοπικές και φασματοσκοπικές μέθοδοι. Το έκτο κεφάλαιο περιέχει τις μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας των νανορευστών με αιωρούμενα σφαιρικά νανοσωματίδια. Ως διασπαρμένη φάση χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια Cu, SiC και νανοδιαμάντια, ενώ το συνεχές μέσο ήταν νερό, αιθυλενογλυκόλη ή προπανοδιόλη-1,2. Γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων με τις υπάρχουσες μετρήσεις άλλων ερευνητικών ομάδων. Επισημαίνεται ότι, για τον έλεγχο της καλής λειτουργίας της συσκευής, πριν από την έναρξη της μελέτης των νανορευστών αλλά και σε τακτά χρονικά διαστήματα μεταξύ των ομάδων πειραμάτων, μετρήθηκε η θερμική αγωγιμότητα του τολουολίου, το οποίο έχει προταθεί από τη Διεθνή Ένωση Απλής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC) ως πρότυπο ρευστό. Επιπλέον, μετρήθηκε σε τακτά διαστήματα και η θερμική αγωγιμότητα του νερού, το οποίο επίσης προτάθηκε ως πρότυπο ρευστό από την πρώην Υποεπιτροπή Ιδιοτήτων