Amélioration de la diffusivité thermique des nanofluides Al₂O₃ par fragmentation photothermique induite par laser modulé

Résumé

Les lasers à onde continue (OC) modulés déclenchent une réponse photothermique qui absorbe rapidement la lumière et génère des ondes thermiques autour des nanostructures irradiées. Dans cette étude, nous explorons comment une telle irradiation laser influence la fragmentation des particules et améliore par conséquent la diffusivité thermique des nanofluides Al₂O₃. Un laser à diode rentable (532 nm, 200 mW) a été utilisé pour briser les nanoparticules d'Al₂O₃ agglomérées dispersées dans l'eau déionisée. Les ondes thermiques générées par le laser, gouvernées par la fréquence de modulation et les caractéristiques optiques/thermiques du nanofluide, sont brièvement résumées. La diffusion dynamique de la lumière (DDL) et la microscopie électronique à transmission (MET) ont quantifié les effets du temps d'irradiation sur la taille et la distribution des particules, tandis que la méthode pyroélectrique photo (PPE) a mesuré la diffusivité thermique. Les résultats montrent que la fragmentation partielle réduit la taille des agglomérats vers le diamètre intrinsèque de 11 nm, produisant une distribution de taille plus étroite. Correspondamment, la diffusivité thermique a augmenté de 1,444 × 10⁻³ à 1,498 × 10⁻³ cm² s⁻¹ après 30 min d'irradiation, démontrant le potentiel de la fragmentation photothermique pour adapter les propriétés de transfert de chaleur des nanofluides.

Contexte

Les nanofluides d'oxydes métalliques, surtout l'Al₂O₃, sont prisés pour leur conductivité et diffusivité thermiques supérieures par rapport aux fluides de base tels que l'eau ou l'huile. Leur performance, cependant, est très sensible à la taille, la forme et l'état de dispersion des particules. L'agglomération dégrade rapidement les propriétés thermiques, nécessitant des stratégies de dispersion efficaces. La fabrication à base de laser a émergé comme un outil polyvalent pour générer et modifier des nanoparticules directement dans un milieu liquide. En ajustant les paramètres du laser — longueur d'onde, durée d'impulsion, énergie et taux de répétition — on peut influencer la taille et la distribution des particules.

Bien que les lasers pulsés aient traditionnellement été utilisés pour l'ablation et la fragmentation, les lasers à onde continue offrent des avantages en coût, taille et portabilité. Les lasers OC modulés, en particulier, génèrent des effets photothermiques (PT) et des ondes thermiques (OT) prononcés qui peuvent briser les agrégats de particules. Malgré de nombreuses études sur la synthèse de nanoparticules induite par laser, une investigation détaillée de l'effet PT de lasers OC modulés sur la diffusivité thermique des nanofluides Al₂O₃ fait défaut. Ce travail comble cette lacune en étudiant systématiquement la dynamique de fragmentation et l'amélioration de transfert de chaleur qui en résulte.

Méthodes

Préparation du nanofluide

Des nanoparticules d'Al₂O₃ (11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) ont été dispersées à 0,05 g par 25 mL d'eau déionisée, avec 1 % v/v de polyvinylpyrrolidone (PVP, PM ≈ 29 kDa) pour stabiliser la suspension. Après 1 h d'agitation et 30 min de sonication par sonde (VCX 500, 25 kHz, 500 W), la suspension a atteint une distribution homogène, vérifiée par DDL.

Fragmentation par laser

La fragmentation a été réalisée dans une cuve en quartz de 2 mL placée sur un agitateur magnétique. Un laser à diode 532 nm, 200 mW (MGL 150(10)) était focalisé sur un spot de 0,1 mm (≈2,5 kW cm⁻²) et modulé à 10 Hz en utilisant un hacheur optique (SR540). Des temps d'irradiation de 10 et 30 min étaient appliqués. Après irradiation, la MET (Hitachi H-7100) et la DDL (Sympatec Nanophox) caractérisaient la morphologie et la distribution de taille.

Mesure de la diffusivité thermique

La technique pyroélectrique photo (PPE), réputée pour sa haute précision, a mesuré la diffusivité thermique des nanofluides. Une feuille de cuivre (50 µm) agissait comme générateur pyroélectrique, tandis qu'un film PVDF de 52 µm servait de détecteur. L'onde thermique induite par le laser se propageait à travers l'échantillon, générant une tension proportionnelle à la diffusivité thermique. Un amplificateur verrouillé (SR 530) enregistrait l'amplitude et la phase à 6,7 Hz, et les données étaient ajustées en utilisant la méthode de balayage de cavité (Équations 6-8) pour extraire α.

Résultats et Discussion

Génération d'ondes thermiques

La fréquence de modulation affecte critiquement l'amplitude des ondes thermiques. Les simulations (Fig. 2) indiquent une fréquence optimale autour de 10 Hz, équilibrant l'amplitude du signal et le bruit. L'absorption optique, pilotée par la taille, la forme et la concentration des particules, influence directement la force des ondes thermiques. Les nanofluides Al₂O₃/eau présentent une absorption favorable, avec jusqu'à 13 % de la lumière incidente absorbée — améliorée davantage par un chargement plus élevé en nanoparticules.

Dynamique de fragmentation

Les images MET (Fig. 5) montrent une réduction progressive de la taille des particules : de 16,4 ± 7,8 nm (pré-irradiation) à 14,2 ± 5,4 nm après 10 min, et 12,0 ± 3,5 nm après 30 min. Les données DDL (Fig. 6) confirment un décalage vers une distribution étroite et monodisperse, avec des diamètres hydrodynamiques diminuant de ~90 nm à ~91 nm après irradiation. La fragmentation sature près de 30 min, car les particules atteignent une taille critique où l'ablation induite par absorption diminue davantage.

Amélioration de la diffusivité thermique

L'étalonnage contre l'eau distillée a donné α = 1,446 × 10⁻³ cm² s⁻¹ (à 1 % de la littérature). L'α du nanofluide a augmenté de 1,444 ± 0,008 × 10⁻³ cm² s⁻¹ (sans irradiation) à 1,498 ± 0,012 × 10⁻³ cm² s⁻¹ après 30 min (Fig. 7). La hausse de 3–6 % reflète le mouvement brownien amélioré et la taille d'agglomérats réduite, qui favorisent un transfert de chaleur efficace des particules vers le fluide de base. L'amélioration de la diffusivité thermique souligne l'efficacité de la fragmentation photothermique par laser OC modulé comme stratégie pratique pour l'optimisation des nanofluides.

Conclusions

L'irradiation par laser OC modulé fragmente efficacement les agglomérats d'Al₂O₃, produisant une distribution de taille étroite et augmentant la diffusivité thermique jusqu'à 6 % en 30 min. Cette approche à faible coût et évolutive démontre la viabilité de la fragmentation photothermique pour adapter la performance de transfert de chaleur des nanofluides, avec des implications pour les échangeurs de chaleur industriels, le refroidissement électronique et les thérapies médicales.