Magnetic actuation, heat transfer and microsystem applications of iron-oxide nanoparticle based ferrofluids

Abstract

Ferrosıvılar katı fazda manyetik nanopartiküller, sıvı fazda ise herhangi bir bazsıvının kompozisyonundan oluşan koloid süspansiyonlardır. Katı parçacıklar farklımanyetik özellikteki malzemelerden yapılabilirler ve zayıf moleküller arası kuvvetler ilesüspansiyonda tutulurlar. Manyetit doğal ferromanyetik özellikleri sebebiyle kullanılanmalzemelerden biridir. Ferrosıvılar, mikroakıskanlar alanında, mikroakışkandevrelerinde mikro ölçekte akış kontrolü, akışkanların mikro ölçekte eylemesi ve ilaçsevkiyat mekanizmaları gibi önemli uygulamalara sahiptir. Bu ferrosıvıların ısı transferiperformansları da diğer bir çok potansiyel soğutucu gibi analiz edilmeli ve genişkapsamlı uygulama alanları dikkate alınmalıdır.Yapılan ilk çalışmada, potansiyellerini ortaya çıkarmak amacıyla ferrosıvıeyleyen çeşitli cihazlar tasarlandı ve geliştirildi. İki ayrı amaç için tasarlanan bu cihazgruplarından ilki kesikli sıvı paketleri eylemesi, ikincisi ise iç çapları 254μm'den1.56mm'ye değişen tüplerde devamlı akış yaratmak üzere tasarlandılar. Tasarlanancihazlar öncelikle sunulan eyleme metodunun verimliliğini kanıtlamak amacıylaminitüplerde test edildi. Daha sonra düzenekler mikrotüplerle deneylere devam edilecekşekilde ayarlandı. Deneylerden olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Minitüpler vemikrotüplerden maksimum 300mT manyetik alan değerleri ile devamsız ve devamlıakışlarda sırasıyla 120μl/s ve 0.135μl/s'ye kadar akış debileri elde edilmiştir. Sunulanmanyetik eyleme metodunun çalıştığı ispatlanmıştır ve elektromekanik, elektrokinetikve piezoelektrik gibi var olan mikropompalama metodlarına güçlü bir alternatifolabileceği beklenmektedir. Sonuçlar manyetik nanoparçacıklar içeren ferrosıvılarınmikro pompa uygulamalarında daha fazla araştırma eforu hak ettiğini göstermiştir.İkinci çalışmada, 2.5 cm uzunluğunda, iç çapı 514 μm ve dıs çapı 819 μm olanhipodermik paslanmaz çelik mikrotüp içerisinde, ortalama parçacık çapı 25 nm vehacimsel fraksiyonları 0%- ~5% arasında olan laurik asit kaplı demir oksit (Fe3O4)nano parçacık bazlı ferrosıvıların konvektif ısı transferi iyileştirmesini karakterize etmek amacıyla, konvektif ısı transferi deneyleri yapılmıştır. Sisteme üç farklı akışdebisinde (1ml/s, 0.62ml/s ve 0.36 ml/s) 184 W/cm2 varak ısı akışı uygulanmıştır.Yüksek ısı akılarında (>100 W/cm2), (mikrotüpün çıkışından ölçüm alındığında) saf bazsıvısına kıyasla maksimum yüzey sıcaklığında 100% civarında azalma gözlenmiştir. Ekolarak, ısı transferindeki iyileştirme nanoparçacık konsantrasyonu ile birlikte artmış vebu çalışmadaki hacimsel fraksiyon aralığında (0%-5%), artan hacimsel fraksiyonlardaısı transferi katsayısı profillerinde herhangi bir satürasyona rastlanmamıştır.Deneylerden elde edilen gelecek vaadeden sonuçlar ferrosıvıların ısı transferi, ilaçsevkiyatı ve biyolojik uygulamalarda kullanımının yeni nesil soğutucular ve geleceğinilaç taşıyıcıları için avantajlı ve geçerli bir alternatif olduğunu göstermiştir.

Ferrofluids are colloidal suspensions, in which the solid phase material iscomposed of magnetic nanoparticles, while the base fluid can potentially be any fluid.The solid particles are held in suspension by weak intermolecular forces and may bemade of materials with different magnetic properties. Magnetite is one of the materialsused for its natural ferromagnetic properties. They have vital applications in the field ofmicrofluidics such as microscale flow control in microfluidic circuits, actuation offluids in microscale, and drug delivery mechanisms. Heat transfer performance of suchferrofluids is also one of the crucial properties among many potential coolants thatshould be analyzed and considered for their wide range of applications.In the first study, different families of devices actuating ferrofluids weredesigned and developed to reveal this potential. A family of these devices actuatesdiscrete plugs, whereas a second family of devices generates continuous flows in tubesof inner diameter ranging from 254μm to 1.56mm. The devices were first tested withminitubes to prove the effectiveness of the proposed actuation method. The setups werethen adjusted to conduct experiments on microtubes. Promising results were obtainedfrom the experiments. Flow rates up to 120μl/s and 0.135μl/s were achieved inminitubes and microtubes with modest maximum magnetic field magnitudes of 300mTfor discontinuous and continuous actuation, respectively. The proposed magneticactuation method was proven to work as intended and is expected to be a strongalternative to the existing micropumping methods such as electromechanical,electrokinetic, and piezoelectric actuation. The results suggest that ferrofluids withmagnetic nanoparticles merit more research efforts in micro pumping. In the second study, convective heat transfer experiments were conducted inorder to characterize convective heat transfer enhancements with Lauric acid coatedironoxide (Fe3O4) nanoparticle based ferrofluids, which have volumetric fractionsbetween 0%- ~5% and average particle diameter of 25 nm, in a 2.5 cm long hypodermicstainless steel microtube with an inner diameter of 514 μm and an outer diameter of 819μm. Heat fluxes up to 184 W/cm2 were applied to the system at three different flowrates (1ml/s, 0.62ml/s and 0.36 ml/s). A decrease of around 100% in the maximumsurface temperature (measured at the exit of the microtube) with the ferrofluidcompared to the pure base fluid at significant heat fluxes (>100 W/cm2) was observed.Moreover, the enhancement in heat transfer increased with nanoparticle concentration,and there was no clue for saturation in heat transfer coefficient profiles with increasingvolume fraction over the volume fraction range in this study (0%-5%). The promisingresults obtained from the experiments suggest that the use of ferrofluids for heattransfer, drug delivery, and biological applications can be advantageous and a viablealternative as new generation coolants and futuristic drug carriers.