Graphene nanofluids : viscoelastic and thermophysical properties

Abstract

Graphene, a single-atom-thick sheet of hexagonally arranged sp2-bonded carbon atoms, has attracted much attention since it was experimentally isolated by Novoselov and Geim ten years ago. The two dimensional (2D) material exhibits exceptionally high crystal and electronic quality, and it has already revealed a plethora of amazing physical properties and potential applications. This includes high values of Young’s modulus, fracture strength, mobility of charge carriers, and specific surface area, plus fascinating transport phenomena such as the quantum Hall effect. Recent research reveals that the in-plane thermal conductivity of a suspended single-layer graphene is as high as 5200 W/mK4. Because single layer graphene sheets are finite and dimensional limitations influence the electronic properties of graphene, graphene-based materials can be categorized according to the dimensions of sheets in the parallel and perpendicular directions of the layers. Among them, exfoliated graphite nanoplatelets (xGnP) (10-100 graphene layers, 3-30 nm thick), which combine the layered structure and low price of nanoclays with the superior mechanical, electrical and thermal properties of carbon nanotubes, are very cost effective and can simultaneously provide a multitude of physical and chemical property enhancements. The properties of xGnP are independent of the number of layers and show similar electro-chemical behavior to graphene. Although the number of articles on xGnP has increased, data on their thermodynamic properties, thermophysical description, and molecular modeling properties are relatively scarce. Nanofluids, which are suspensions of nanoparticles in fluids, have promising potential applications in microelectronics, energy supply and transportation because of their intriguing properties such as the increased thermal conductivity in certain cases, long-term stability, and prevention of clogging in microchannels. The nanoscale size range of the suspended particles produces unexpected behaviour in some cases for thermophysical and transport properties. In fact it was the initial report of unusual thermal conductivity enhancements what boosted research on nanofluid characterization. After a certain rush period, these enhancements were demonstrated not to be so general nor so high. Nevertheless, the discussion about which are the heat and mass transfer mechanisms for this type of systems represents an open and active debate, and some nanofluids do exhibit unexpected non classical thermophysical and elastic properties. This is an amazing and poorly explored field of research, and contributions on the rigorous experimental determination of the thermophysical and transport properties characterization of these new xGnP nanofluids are essential to determine their feasibility in technical applications involving for instance heat dissipation in microfluidics. This is the context where the present PhD is proposed, according to the objectives and methodology explained in the following.

El grafeno, una hoja de un átomo de espesor de átomos de carbono unidos por enlaces hexagonales sp2, ha atraído mucha atención desde que fue experimentalmente aislado por Novoselov y Geim hace diez años. El material bidimensional (2D) exhibe una calidad cristalina y electrónica excepcionalmente alta, y ya ha revelado una plétora de asombrosas propiedades físicas y aplicaciones potenciales. Esto incluye altos valores del módulo de Young, resistencia a la fractura, movilidad de los portadores de carga y área de superficie específica, además de fascinantes fenómenos de transporte como el efecto Hall cuántico. Investigaciones recientes revelan que la conductividad térmica en un plano de grafeno suspendido de una sola capa es tan alta como 5200 W/mK4. Debido a que las capas de grafeno de capa única poseen limitaciones finitas y dimensionales, esto influye en sus propiedades electrónicas, y los materiales a base de grafeno pueden categorizarse de acuerdo con las dimensiones de las hojas en las direcciones paralela y perpendicular de las capas. Entre ellos, las nanopartículas de grafito exfoliado (xGnP) (10-100 capas de grafeno, 3-30 nm de espesor), que combinan la estructura en capas y el bajo precio de nanocerámicas con propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas superiores de los nanotubos de carbono, son muy rentables y pueden proporcionar simultáneamente una multitud de mejoras de propiedades físicas y químicas. Las propiedades de xGnP son independientes del número de capas y muestran un comportamiento electroquímico similar al del grafeno. Aunque el número de artículos sobre xGnP ha aumentado, los datos sobre sus propiedades termodinámicas, descripción termofísica y propiedades de modelado molecular son relativamente escasos. Los nanofluidos, que son suspensiones de nanopartículas en fluidos, tienen potenciales aplicaciones potenciales en microelectrónica, suministro de energía y transporte debido a sus propiedades intrigantes como el aumento de la conductividad térmica en ciertos casos, la estabilidad a largo plazo y la prevención de la obstrucción en microcanales. El rango de tamaño nanométrico de las partículas en suspensión produce un comportamiento inesperado en algunos casos para propiedades termofísicas y de transporte. De hecho, fue el informe inicial de las mejoras inusuales de conductividad térmica lo que impulsó la investigación sobre la caracterización de nanofluidos. Después de un cierto período de euforia inicial, estas mejoras demostraron no ser tan generales ni tan elevadas. Sin embargo, la discusión acerca de cuáles son los mecanismos de transferencia de calor y masa para este tipo de sistemas representa un debate científico abierto y activo, y algunos nanofluidos exhiben propiedades termofísicas y elásticas inesperadas y claramente no clásicas. Este es un campo de investigación apasionante y poco explorado, y las contribuciones sobre la determinación experimental rigurosa de la caracterización termofísica y de propiedades de transporte de estos nuevos nanofluidos xGnP son esenciales para determinar su viabilidad en aplicaciones técnicas que implican por ejemplo disipación de calor en microfluídica. Este es el contexto en el que se propone la presente Tesis de Doctorado, de acuerdo con los objetivos y metodología explicados a continuación.

O grafeno, unha folla dun átomo de espesor de átomos de carbono unidos por enlaces hexagonais sp2, ten atraído moita atención dende que foi experimentalmente aislado por Novoselov e Geim fai dez anos. O material bidimensional (2D) exhibe unha calidade cristalina e electrónica excepcionalmente alta, e xa ten revelado unha plétora de asombrosas propiedades físicas e aplicacións potenciais. Isto inclúe altos valores do módulo de Young, resistencia á fractura, mobilidade de portadores de carga e área de superficie específica, ademáis de fascinantes fenómenos de transporte coma o efecto Hall cuántico. Investigacións recentes revelan que a conductividade térmica nun plano de grafeno suspendido dunha sola capa é tan alta coma 5200 W/mK4. Debido a que as capas de grafeno de capa única poseen limitacións finitas e dimensionais, isto inflúe nas súas propiedades electrónicas, e os materiais a base de grafeno poden categorizarse dacordo coas dimensións das follas nas direccións paralela e perpendicular das capas. Entre eles, as nanopartículas de grafito exfoliado (xGnP) (10-100 capas de grafeno, 3-30 nm de espesor), que combinan a estructura en capas e o baixo prezo de nanocerámicas con propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas superiores dos nanotubos de carbono, son moi rentables e poden proporcionar simultáneamente unha multitude de melloras de propiedades físicas e químicas. As propiedades de xGnP son independentes do número de capas e amosan un comportamento electroquímico similar ó do grafeno. Aínda que o número de artigos sobre xGnP aumentou moito, os datos sobre as súas propiedades termodinámicas, descripción termofísica e propiedades de modelado molecular son relativamente escasos. Os nanofluidos, que son suspensións de nanopartículas en fluidos, teñen potenciais aplicacións en microelectrónica, suministro de enerxía e transporte debido ás súas propiedades intrigantes coma o aumento da conductividade térmica en certos casos, a estabilidade a longo prazo e a prevención de obstrucción en microcanais. O rango de tamaño nanométrico das partículas en suspensión produce un comportamento inesperado nalgúns casos para propiedades termofísicas e de transporte. De feito, foi o informe inicial das melloras inusuais de conductividade térmica o que impulsou a investigación sobre a caracterización de nanofluidos. Despois dun certo período de euforia inicial, estas melloras amosaron non ser tan xerais nin tan elevadas. Nembargantes, a discusión acerca de cales son os mecanismos de transferencia de calor e masa para este tipo de sistemas representa un debate científico aberto e activo, e algúns nanofluidos exhiben propiedades termofísicas e elásticas inagardadas e claramente non clásicas. Este é un campo de investigación apaixoante e pouco explorado, e as contribucións sobre a determinación experimental rigurosa da caracterización termofísica e de propiedades de transporte destes novos nanofluidos xGnP son esenciais para determinar a súa viabilidade en aplicacións técnicas que implican por exemplo disipación de calor en microfluídica. Este é o contexto no que se propon la presente Tese de Doutoramento, dacordo cos obxectivos e metodoloxía explicados a continuación.