DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-026-04501-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41840146
تاريخ النشر: 2026-03-16
المؤلف: Elaheh Janbezar وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص السوائل الأيونية وتطبيقاتها
نظرة عامة
توليد الحرارة المتزايد في أنظمة الطاقة الحديثة يطرح تحديات كبيرة للكفاءة والموثوقية، حيث يمكن أن تؤثر تدفقات الحرارة العالية على طرق التبريد التقليدية، وتسرع من تدهور المواد، وتقلل من عمر المكونات. هذه الحالة تتطلب تطوير سوائل ذات خصائص نقل حرارة محسنة، مما يؤدي إلى استكشاف النانوسوائل – وهي تعليقات من الجسيمات النانوية (1-100 نانومتر) في السوائل الأساسية. تستفيد هذه النانوسوائل من المساحة السطحية المحددة العالية للجسيمات النانوية لتحسين الأداء الحراري.
في هذه الدراسة، تم التحقيق في استقرار جسيمات السيليكا (SiO₂) النانوية في المحاليل المائية التي تحتوي على مختلف المواد السطحية (HEA-Ole، BHEA-Ole، THEA-Ole) على مدى فترة 60 يومًا عند درجة حرارة 298.15 كلفن. تم تقييم الاستقرار من خلال تقنيات متعددة، بما في ذلك الملاحظة البصرية، وقياسات اللزوجة والكثافة، والجهد الزتاوي، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، وتحليل التوتر السطحي. أظهرت النتائج أن THEA-Ole تفوقت باستمرار على المواد السطحية الأخرى عبر جميع الخصائص المقاسة، وذلك بفضل هيكلها الغني بالكتيون الهيدروكسي إيثيل، الذي يعزز التفاعلات الجزيئية والسطحية. ومن الجدير بالذكر أن SiO₂ أظهر أعلى استقرار في هذه التركيبات، مما يبرز إمكانيات هذه النانوسوائل لتحسين الإدارة الحرارية في أنظمة الطاقة.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة، بما في ذلك جسيمات SiO₂ النانوية (رقم CAS 7631-86-9) بمتوسط قطر يبلغ 20 نانومتر وكتلة جزيئية تبلغ 60.08 جرام/مول. تشمل المواد الكيميائية الأخرى 2-هيدروكسي إيثيل أمين (رقم CAS 141-43-5)، ثنائي (2-هيدروكسي إيثيل) أمين (رقم CAS 111-42-2)، وثلاثي (2-هيدروكسي إيثيل) أمين (رقم CAS 102-71-6)، مع كتل جزيئية تبلغ 61.08 جرام/مول، 105.14 جرام/مول، و149.19 جرام/مول على التوالي. تم أيضًا استخدام حمض الأوليك (رقم CAS 112-80-1) بكتلة جزيئية تبلغ 318.13 جرام/مول، جميعها مصدرها من Merck مع نقاء يتجاوز 99%. شملت تخليق السوائل الأيونية النشطة سطحياً (SAILs) (2-هيدروكسي إيثيل) أمونيوم أوليات، ثنائي (2-هيدروكسي إيثيل) أمونيوم أوليات، وثلاثي (2-هيدروكسي إيثيل) أمونيوم أوليات، مع كتل جزيئية تبلغ 343.55 جرام/مول، 387.33 جرام/مول، و431.66 جرام/مول على التوالي. تم استخدام ماء مزدوج التقطير ومنزوع الأيونات لتحضير النانوسوائل.
تُفصّل النتائج التجريبية المتعلقة بالمواد المُصنّعة وخصائصها في المواد التكميلية، بما في ذلك الجدول S1 والشكل S1، الذي يوفر معلمات حيود الأشعة السينية (XRD) لجسيمات SiO₂ النانوية. هذه النتائج ضرورية لفهم سلوك وتطبيقات النانوسوائل التي تم تطويرها في هذا البحث.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم استقرار النانوسوائل القائمة على جسيمات السيليكا (SiO₂) النانوية باستخدام سوائل أيونية نشطة سطحياً (SAILs) بمساعدة مواد سطحية عبر مناطق تركيز مختلفة: قبل تركيز الميكل الحرجة (CMC)، عند CMC، وبعد CMC. أظهرت الملاحظات البصرية على مدى 60 يومًا أنه بينما ظلت معظم النانوسوائل موزعة بشكل موحد في البداية، زادت الترسيب مع مرور الوقت، خاصة في الأنظمة التي لا تحتوي على SAILs، والتي أظهرت استقرارًا ضعيفًا. ومن الجدير بالذكر أن استخدام أوليات ثلاثي إيثانول أمين كـ SAIL عزز الاستقرار بشكل كبير بعد CMC بسبب الروابط الهيدروجينية الفعالة بين المادة السطحية وSiO₂، مما يمنع التجمع ويعزز التشتت المتجانس. تؤكد النتائج على أهمية هيكل الكتيون في السائل الأيوني، وكيمياء سطح الجسيمات النانوية، وتركيز المادة السطحية في الحفاظ على الاستقرار الغروي.
كشفت قياسات الكثافة أن SAIL THEA-Ole أظهر أداءً متفوقًا بسبب محبته للماء وقدراته القوية على تكوين روابط هيدروجينية، مما حسن من استقرار التشتت والذوبان. أظهرت تقييمات اللزوجة أن أنظمة THEA-Ole حافظت على ملفات لزوجة مستقرة، مما يعكس تشتتًا موحدًا، بينما أظهرت أنظمة HEA-Ole وBHEA-Ole انخفاضًا كبيرًا في اللزوجة، مما يتوافق مع انخفاض الاستقرار. أكدت تحليلات التوتر السطحي أن THEA-Ole قدمت السلوك السطحي الأكثر استقرارًا، مع الحد الأدنى من الترسيب الملحوظ مع مرور الوقت. تسلط الدراسة الضوء على الدور الحاسم لخصائص المواد السطحية في استقرار النانوسوائل، مع ظهور THEA-Ole كأفضل خيار للتطبيقات في الإدارة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، اقترحت رؤى نظرية من نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ونموذج COSMO أنه بينما من المتوقع أن تعزز SAILs الأكثر غنى بالهيدروكسيل مثل THEA-Ole التفاعلات السطحية، أشارت النتائج التجريبية إلى أن الهياكل الأبسط مثل HEA-Ole يمكن أن تقدم استقرارًا متفوقًا بسبب تعبئة جزيئية أفضل وتقليل العوائق الستيرية.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف السوائل الأيونية النشطة سطحياً (SAILs) والنانوسوائل المقابلة لها. تم تحضير SAILs من خلال تحييد حمض الأوليك مع مختلف الإيثانولامينات، مما أدى إلى منتجات متميزة (HEA-Ole، BHEA-Ole، وTHEA-Ole) تتميز بلزوجات وسلوكيات استحلاب مختلفة. تم تحديد تركيزات الميكل الحرجة (CMC) لهذه SAILs باستخدام طرق التوصيل الكهربائي والتوتر السطحي، مما يكشف أن الهيكل الجزيئي يؤثر بشكل كبير على قيم CMC، حيث أظهرت THEA-Ole أقل CMC بسبب محبته العالية للماء. تم تقييم استقرار النانوسوائل الناتجة، التي تم إنشاؤها عن طريق تشتت جسيمات SiO₂ النانوية في محاليل SAIL المائية، من خلال الملاحظة البصرية، والكثافة، واللزوجة، وقياسات التوتر السطحي.
تشير النتائج إلى أن اختيار SAILs يلعب دورًا حاسمًا في استقرار النانوسوائل، حيث أظهرت أنظمة SiO₂-THEA-Ole استقرارًا غرويًا متفوقًا يُعزى إلى تفاعلات الروابط الهيدروجينية القوية والهياكل الميكلية القوية. في المقابل، أظهرت الأنظمة التي تحتوي على HEA-Ole وBHEA-Ole علامات على عدم الاستقرار مع مرور الوقت، كما يتضح من زيادة الأحجام المولية الظاهرة وانخفاض الاستقرار. استخدمت الدراسة أيضًا نظرية السائل المرتبط الإحصائي (PC-SAFT) لنمذجة الخصائص الديناميكية الحرارية لهذه السوائل المعقدة، محققة أداءً تنبؤيًا مرضيًا لقياسات الكثافة، خاصة في وجود THEA-Ole. بشكل عام، تسلط الأبحاث الضوء على أهمية هيكل SAIL في التأثير على الخصائص الفيزيائية والكيميائية واستقرار النانوسوائل، مما يمهد الطريق لصياغات محسنة في تطبيقات متنوعة.
القيود
تقدم الدراسة قيودًا تتعلق بالتوصيف التجريبي للنانوسوائل القائمة على SiO₂ المدعومة بسوائل أيونية نشطة سطحياً (SAILs) وظيفية الهيدروكسيل. كانت الطريقة الرئيسية لتقييم توزيع حجم الجسيمات هي تشتت الضوء الديناميكي، الذي يوفر بيانات متوسطة جماعية للأنظمة غير المتجانسة. على الرغم من أن الاتجاهات الاستقرارية الملاحظة قوية، مدعومة بالجهد الزتاوي ونتائج الترسيب على المدى الطويل، يعترف المؤلفون بأن المزيد من الأبحاث تحت ظروف تدفق ديناميكي أو درجات حرارة مرتفعة، بالإضافة إلى تحليلات مجهرية أو على المستوى الجزيئي، يمكن أن تعزز فهم سلوك النظام.
من الناحية الاقتصادية، قد تعيق التكلفة الأعلى لـ SAILs مقارنة بسوائل نقل الحرارة التقليدية اعتمادها على نطاق واسع. ومع ذلك، فإن الخصائص المفيدة لـ SAILs، بما في ذلك انخفاض التطاير، والاستقرار الحراري العالي، والهياكل الجزيئية القابلة للتعديل، تقدم فرصًا لتحسين الأداء عند تركيزات مضافة أقل، مما قد يخفف بعض المخاوف المتعلقة بالتكلفة في التطبيقات العملية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s11671-026-04501-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41840146
Publication Date: 2026-03-16
Author(s): Elaheh Janbezar et al.
Primary Topic: Ionic liquids properties and applications
Overview
The increasing heat generation in modern energy systems poses significant challenges to efficiency and reliability, as high heat fluxes can impair conventional cooling methods, accelerate material degradation, and reduce component lifespan. This situation necessitates the development of fluids with enhanced heat transfer properties, leading to the exploration of nanofluids—suspensions of nanoparticles (1-100 nm) in base liquids. These nanofluids leverage the high specific surface area of nanoparticles to improve thermal performance.
In this study, the stability of silicon dioxide (SiO₂) nanoparticles in aqueous solutions containing various surfactants (HEA-Ole, BHEA-Ole, THEA-Ole) was investigated over a 60-day period at a temperature of 298.15 K. The stability was assessed through multiple techniques, including visual observation, viscosity and density measurements, zeta potential, dynamic light scattering (DLS), and surface tension analysis. The findings indicated that THEA-Ole consistently outperformed the other surfactants across all measured properties, attributed to its hydroxylethyl-rich cation structure, which enhances intermolecular and interfacial interactions. Notably, SiO₂ demonstrated the highest stability in these formulations, underscoring the potential of these nanofluids for improved thermal management in energy systems.
Methods
In this study, various materials were employed, including SiO₂ nanoparticles (CAS no. 7631-86-9) with an average diameter of 20 nm and a molar mass of 60.08 g/mol. Other chemicals included 2-hydroxyethylamine (CAS no. 141-43-5), bis(2-hydroxyethyl) amine (CAS no. 111-42-2), and tris(2-hydroxyethyl) amine (CAS no. 102-71-6), with respective molar masses of 61.08 g/mol, 105.14 g/mol, and 149.19 g/mol. Oleic acid (CAS no. 112-80-1) with a molar mass of 318.13 g/mol was also utilized, all sourced from Merck with a purity exceeding 99%. The synthesis of surface active ionic liquids (SAILs) included (2-hydroxyethyl)ammonium oleate, bis(2-hydroxyethyl)ammonium oleate, and tris(2-hydroxyethyl)ammonium oleate, with molar masses of 343.55 g/mol, 387.33 g/mol, and 431.66 g/mol, respectively. Double distilled, deionized water was used for the preparation of nanofluids.
The experimental findings related to the synthesized materials and their properties are detailed in supplementary materials, including Table S1 and Figure S1, which provide X-ray diffraction (XRD) parameters for the SiO₂ nanoparticles. These findings are crucial for understanding the behavior and applications of the nanofluids developed in this research.
Results
In this study, the stability of silicon dioxide (SiO₂) nanoparticle-based nanofluids was evaluated using various surfactant-assisted ionic liquids (SAILs) across different concentration regions: before critical micelle concentration (CMC), at CMC, and after CMC. Visual observations over 60 days indicated that while most nanofluids remained uniformly dispersed initially, sedimentation increased over time, particularly in systems without SAILs, which demonstrated poor stability. Notably, the use of triethanolamine oleate as a SAIL significantly enhanced stability after CMC due to effective hydrogen bonding between the surfactant and SiO₂, preventing aggregation and promoting a homogeneous dispersion. The findings underscore the importance of the ionic liquid’s cation structure, nanoparticle surface chemistry, and surfactant concentration in maintaining colloidal stability.
Density measurements revealed that the THEA-Ole SAIL exhibited superior performance due to its hydrophilicity and strong hydrogen-bonding capabilities, which improved dispersion stability and solvation. Viscosity assessments indicated that THEA-Ole systems maintained stable viscosity profiles, reflecting uniform dispersion, while HEA-Ole and BHEA-Ole systems showed significant declines in viscosity, correlating with reduced stability. Surface tension analyses further confirmed that THEA-Ole provided the most stable interfacial behavior, with minimal sedimentation observed over time. The study highlights the critical role of surfactant characteristics in stabilizing nanofluids, with THEA-Ole emerging as the optimal choice for applications in thermal management. Additionally, theoretical insights from density functional theory (DFT) and the COSMO model suggested that while more hydroxyl-rich SAILs like THEA-Ole are predicted to enhance interfacial interactions, experimental results indicated that simpler structures like HEA-Ole can offer superior stability due to better molecular packing and reduced steric hindrance.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of surface-active ionic liquids (SAILs) and their corresponding nanofluids are discussed. SAILs were prepared through the acid-base neutralization of oleic acid with various ethanolamines, resulting in distinct products (HEA-Ole, BHEA-Ole, and THEA-Ole) characterized by varying viscosities and emulsifying behaviors. The critical micelle concentrations (CMC) of these SAILs were determined using electrical conductivity and surface tension methods, revealing that the molecular structure significantly influences the CMC values, with THEA-Ole exhibiting the lowest CMC due to its higher hydrophilicity. The stability of the resulting nanofluids, created by dispersing SiO₂ nanoparticles in aqueous SAIL solutions, was assessed through visual observation, density, viscosity, and surface tension measurements.
The findings indicate that the choice of SAILs plays a crucial role in the stability of nanofluids, with SiO₂-THEA-Ole systems demonstrating superior colloidal stability attributed to strong hydrogen bonding interactions and robust micellar structures. In contrast, systems with HEA-Ole and BHEA-Ole showed signs of destabilization over time, as indicated by increasing apparent molar volumes and reduced stability. The study also employed the perturbed chain statistical associating fluid theory (PC-SAFT) for modeling the thermodynamic properties of these complex fluids, achieving satisfactory predictive performance for density measurements, particularly in the presence of THEA-Ole. Overall, the research highlights the importance of SAIL structure in influencing the physicochemical properties and stability of nanofluids, paving the way for optimized formulations in various applications.
Limitations
The study presents limitations regarding the experimental characterization of SiO₂-based nanofluids stabilized by hydroxyl-functionalized surface-active ionic liquids (SAILs). The primary method for assessing particle size distribution was dynamic light scattering, which yields ensemble-averaged data for heterogeneous systems. Although the stability trends observed are robust, supported by zeta potential and long-term sedimentation results, the authors acknowledge that further research under dynamic flow or elevated temperature conditions, as well as additional microscopic or molecular-level analyses, could enhance understanding of the system’s behavior.
From an economic standpoint, the higher cost of SAILs compared to conventional heat transfer fluids may hinder their large-scale adoption. Nonetheless, the advantageous properties of SAILs, including low volatility, high thermal stability, and tunable molecular structures, present opportunities for performance optimization at lower additive concentrations, which could alleviate some cost concerns in practical applications.