Viscosité des nanofluides

 Les propriétés rhéologiques de nanofluides sont déterminées de façon unique à l’aide de microsystèmes fluidiques.

 Le contrôle de la viscosité de suspensions solides concerne aussi bien le transport de pétrole brut dans un pipe-line que les problèmes de circulation sanguine. La rhéologie des suspensions constituées de microparticules est connue : leur viscosité, indépendante de la taille des particules, évolue linéairement avec la concentration volumique  de la phase solide puis diverge lorsque cette dernière approche sa valeur maximale atteignable (≈ 65% pour des particules sphériques).
 
 Les nanofluides, quant à eux, sont des suspensions constituées de nanoparticules. Ces substances présentent souvent des propriétés de diffusivité thermique exceptionnelles et ne sédimentent guère, ce qui en fait des candidats intéressants pour améliorer les performances des échangeurs de chaleur. Si de nombreux auteurs cherchent à comprendre les raisons de cette augmentation anormale de la diffusivité thermique, peu de références sont disponibles quant à l’évolution de la viscosité des nanofluides avec f. Pourtant, ces deux paramètres sont étroitement corrélés puisqu’une trop forte augmentation des pertes de charge effacerait le gain énergétique offert par l’augmentation de la conductivité thermique. L’agitation thermique a été souvent présentée comme favorisant la formation d’agrégats, conduisant à une augmentation de la concentration volumique effective, sans que cela soit confirmé expérimentalement.



Figure 1 : structure nanoporeuse de silice ? La taille typique des particules de SiO2 de 100nm st indiquée par les cercles.

  Notre contribution a été de pouvoir imposer à des nanofluides un écoulement sous très fort taux de cisaillement afin de ‘geler’ l’influence du mouvement brownien. Pour limiter les intéractions colloïdales, le taux de cisaillement doit être d’autant plus fort que la taille des particules est petite. Avec des nanoparticules, seuls des microcanaux permettent de conjuguer un très fort cisaillement (≈ 106 s-1) avec un régime d’écoulement laminaire. Les microviscosimètres sur puce que nous avons développés, munis de capteurs de pression intégrés, nous ont permis de caractériser plusieurs familles de nanofluides (silice dispersée dans de l’éthanol) synthétisés par nos collègues du Laboratoire PCML de l’université Claude Bernard de Lyon. Une très forte augmentation de la viscosité et un effet de taille ont été observés. Ces effets sont la première démonstration expérimentale d’une part de l’influence des agrégats sur la concentration volumique effective de la suspension, et d’autre part de l’influence du taux de cisaillement sur le nombre moyen de particules constituant chaque agrégat. A travers des microcanaux, il devient alors possible de contrôler, par l’intensité du cisaillement, la taille des agrégats et la viscosité du nanofluide en écoulement.

 Ce travail a été distingué comme contribution marquante de 2007 dans Nature Nanotechnology.





Fig. 2 : Evolution de la viscosité relative de nanofluides SiO2 – ethanol en fonction de la concentration volumique. Le renforcement anormal de la viscosité et l’effet en fonction de la taille des particules est une conséquence de la taille des aggrégats et des intéractions hydrodynamiques. La viscosité excède celle du modèle classique d’Einstein pour des particules microniques.

Contact : Frédéric Ayela
frederic.ayela@grenoble.cnrs.fr
Tel :+33 476889071


Pour en savoir plus :

• ‘’ Rheological properties of nanofluids flowing through microchannels’’ ; J. Chevalier, O. Tillement and F. Ayela, Appl. Phys. Lett. 91, 233103 (2007)
• Nature nanotechnology Research Highlights ; Dec. 2007.




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