нанодисперсная жидкость

Нанодисперсная жидкость представляет собой гетерогенную систему, в которой твердые частицы с характерными размерами в нанометровом диапазоне тонко распределены в непрерывной жидкой фазе. В идеальном случае частицы присутствуют в виде отдельных первичных частиц. В этом случае речь идет о нанодисперсии без агломератов. Производство нанодисперсных жидкостей требует больших затрат энергии и сложных технологических процессов. Наночастицы обладают очень высокой удельной поверхностью и, следовательно, высокой свободной поверхностной энергией. Это приводит к сильным межчастичным силам притяжения, в частности, силам Ван-дер-Ваальса. Эти силы способствуют агломерации и должны быть полностью преодолены в процессе диспергирования.

Необходимая энергия деагломерации напрямую связана с новой поверхностью, которая должна быть создана. Минимальные энергетические затраты можно приблизительно описать с помощью поверхностной энергии:

E ≈ γ · ΔA

Здесь γ — удельная поверхностная энергия твердого вещества, а ΔA — новая поверхность, образующаяся при разрушении агломератов. Поскольку ΔA сильно увеличивается с уменьшением размера частиц, потребность в энергии для нанодисперсных систем растет непропорционально.

В реальных процессах локально вводимая механическая энергия должна быть больше энергии связи агломератов. При этом решающее значение имеет не только общая энергия, но и плотность мощности и энергии в диспергирующем пространстве. Эффективная деагломерация требует высоких локальных скоростей сдвига, энергии удара или напряжений, вызванных давлением, которые возникают, например, в высокоскоростных, измельчающих или кавитационных установках.

Окружающий воздух представляет собой значительный фактор помех при диспергировании нанодисперсных порошков в жидкостях. При введении порошка в систему попадает воздух, который в виде газовой фазы создает дополнительные границы раздела. Наночастицы предпочтительно адсорбируются на границах раздела газ-жидкость, поскольку это энергетически выгодно. Это способствует образованию стабильных агломератов и препятствует полному смачиванию частиц. Этот эффект особенно выражен в случае высоковязких жидкостей, поскольку захваченные пузырьки воздуха выходят медленно, а эффективная передача сдвига локально снижается.

Помимо деагломерации, решающее значение имеет стабильность дисперсии. Нанодисперсные жидкости термодинамически нестабильны, но могут быть кинетически стабилизированы. Без стабилизации наночастицы имеют тенденцию к реагломерации из-за своей высокой поверхностной энергии. Стабильность обычно описывается электростатическим отталкиванием, например, в рамках теории DLVO, или стерическим препятствием с помощью полимерных или молекулярных добавок.

Седиментация нанодисперсных частиц значительно снижена. Скорость осаждения приблизительно соответствует закону Стокса и пропорциональна квадрату диаметра частиц. Для наночастиц седиментация часто перекрывается или полностью компенсируется броуновским движением. Поэтому во многих случаях нанодисперсные жидкости остаются стабильными в течение длительного времени, пока не происходит агломерация.