Сибирские ученые: свойства наножидкостей зависят от концентрации и состава наночастиц

 

Привычная нам вода — ньютоновская жидкость, вязкость которой почти не зависит от внешних воздействий. Но если в воде густо развести крахмал, то полученная смесь будет неньютоновской жидкостью с необычными свойствами. Можно даже пробежаться по такому раствору не утонув, но стоит лишь остановиться — начнете погружаться. Наножидкость — это любой флюид, содержащий наноразмерные частицы, причем их объемная концентрация невелика и обычно не превышает 10 %. 

 

Как объясняет соавтор работы главный научный сотрудник Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета профессор, доктор физико-математических наук Валерий Яковлевич Рудяк, добавление наночастиц в жидкость меняет ее структуру: возрастает плотность молекул флюида около каждой частицы. В результате можно создавать жидкость с контролируемыми свойствами и управлять ими во время ее движения. Это используется, например, в производстве буровых растворов, косметической и парфюмерной промышленности.

 

«Мы впервые систематически показали на примере шестидесяти разных жидкостей с наночастицами размером от 5 до 150 нанометров, что реология может меняться из-за увеличения концентрации или уменьшения размера частиц. Чем меньше частицы, тем выше вероятность того, что жидкость станет неньютоновской», — говорит Валерий Рудяк.

 

В качестве базового флюида исследователи брали воду, этиленгликоль и машинные масла. Добавками выступали оксиды, металлы и наноалмазы. Выяснилось, что свойства наножидкости зависят от материала наночастиц. Это совершенно нехарактерно для привычного нам макромира, где действует уравнение Эйнштейна. Оно постулирует, что вязкость дисперсной жидкости — той, в которой содержатся твердые частицы, — не зависит от их материала.

 

 

Наночастицы SiO2 в этиленгликоле

 

«Например, исследованные оксиды титана и алюминия имели одинаковый размер частиц — 150 нм, но реологические характеристики жидкости при одинаковой концентрации частиц отличались. При добавлении наноалмазов в этиленгликоль мы получали обычную ньютоновскую жидкость, а в воду — неньютоновскую. Хотя можно было ожидать противоположного, поскольку у этиленгликоля высокая вязкость. Объяснить причины такого необычного поведения еще только предстоит: нужно проводить серию тонких экспериментов, делать структурный, рентгенографический анализ», — комментирует Валерий Рудяк.

 

Управляемые жидкости востребованы и в медицине — для точечной доставки лекарств. Сфера применения в области нефтедобычи тоже чрезвычайно широка: лишь компания «Бейкер Хьюз» (одна из ведущих сервисных компаний в этом сегменте) использует несколько сотен разных буровых растворов, «Шлюмберже» — примерно вдвое больше. В июне 2019 года в Испании прошла первая международная конференция, посвященная наножидкостям и, в частности, возможностям их использования.

 

«Для практического применения большое значение имеют не только контролируемые свойства (сегодня в принципе ясно, как их создать), но и время жизни наножидкости. Частицы очень маленькие и, в отличие от больших, они не оседают под действием силы тяжести, но могут слипаться. Чтобы этого не происходило, их обрабатывают ультразвуком, используют дисперсанты — покрывают специальной пленкой. Поэтому внедрение наножидкостей — в большой степени вопрос не науки, а технологии их создания и финансирования. В США наножидкости выпускаются промышленно, время их жизни недели и месяцы», — добавляет Валерий Рудяк.

 

В настоящее время ученые продолжают исследование способов управления свойствами наножидкостей, в частности для создания на их основе хладагента нового типа. Эта работа выполняется совместно с индийскими коллегами.

 

Надежда Дмитриева

 

Фото и иллюстрации предоставлены В. Рудяком