纳米流体是将具有独特纳米效应的纳米颗粒与液体基液混合形成的悬浮液，特别是作为传热介质，在变压器油、涡轮润滑油、药物载体和光热转换介质等工程上有着广泛应用。然而，纳米颗粒之间的范德华力极易使其自身团聚，导致纳米颗粒的表面效应显著降低，从而导致纳米流体的整体性能受到限制甚至退化。纳米流体中纳米颗粒分散性是反映其整体性能保持程度的决定性因素，这主要取决于颗粒的个体大小及其分布情况。目前颗粒追踪分析（NTA）、动态光散射（DLS）和扫描电镜（SEM）等已被应用于纳米流体分散性检测，但迫于适用条件有限、测试干扰因素较多以及测量存在破坏性等问题的制约，现有的测量方法均存在一些局限性，依然面临挑战。
为此，重庆大学廖瑞金教授团队联合中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队报道了一种基于液固摩擦纳米发电机（LS-TENG）的原位纳米流体分散性（NFD）测量系统，并提出了液固界面调整的电双层模型用于纳米团聚的表征。首先，LS-TENG被设计成具有频率可变特性的管状结构(VFLS-TENG)，以扩大输出频谱。其次，利用VFLS-TENG作为无源探针，在液固界面电双层模型的基础上，结合纳米颗粒电双层结构提出了一种检测纳米流体分散性的等效电容电路模型。然后，采用量子遗传和Levenberg-Marquardt混合算法(QLHA)进行参数辨识，采用龙格-库塔算法(RKA)进行参数分离。最后，本方法所测结果与DLS和SEM方法的测量结果吻合较好，实现了原位测量纳米颗粒表面的有效电荷量，并同时获得纳米流体中颗粒平均粒径和平均间距的功能。本研究工作能够进一步促进纳米复合材料改性过程中的制备可控以及为多物理场下纳米流体设计性能的定量优化提供关键参数。该成果以“In-situNanofluidDispersionMonitoringbyLiquid-SolidTriboelectricNanogeneratorBasedonTuningtheStructureoftheElectricDoubleLayer”为题发表在AdvancedFunctionalMaterials期刊上。
图1用于检测纳米流体分散性的LS-TENG的结构与机理。(a)LS-TENG与蠕动泵组合的检测系统的详细结构，利用蠕动泵实现纳米流体进出LS-TENG，以获取稳定的电压信号和电荷量输出。(b)LS-TENG的示意图，带有7对电极的延伸横截面视图，其中剖面图可清晰看见纳米颗粒分散在水中并充满截面区域。(c)FEP内管壁i)三个月运行前和ii)运行后的SEM图像比较。(d)i-iii)LS-TENG在整个周期内的电荷分布和电流方向示意图。(e)i-iii)相应位移处采用COMSOL有限元法模拟的电势分布。
图2LS-TENG结构参数的优化探索。(a)铜电极、液体电介质与间隔长度的示意图。(b)比较相同铜电极长度下的两种水柱驱动的功率密度的大小。(c)测试相同铜电极长度下的不同间隔与输出峰值功率的关系。(d)计算不同铜电极长度、不同间隔下的总谐波电压畸变率。(e)铜电极长度为4cm和(f)5cm时，不同间隔下输出峰值功率与负载阻抗的关系。(g)铜电极长度为5cm下，不同间隔的功率幅值、阈值宽度、最佳匹配阻抗的三角图。(h)不同间隔下的输出电压和(i)转移电荷量的频谱幅值信息。
图3改进的VFLS-TENG的电气输出性能。(a)VFLS-TENG的示意图。(b)VFLS-TENG内部电容Cin的测试电路。(c)7对电极下不同频率的开路电压Voc输出。(d)VFLS-TENG下的电压频谱信息。(e)VFLS-TENG在常温环境下放置三个月前后Voc的比较。(f)7对电极下不同频率的转移电荷量Ql输出。(g)VFLS-TENG下的电荷量频谱信息。(h)VFLS-TENG在常温环境下放置三个月前后Ql的比较。
图4TENG-NFD测量系统的样品制备与检测。(a)纳米流体的配制流程图。(b)体积分数0.01%、超声时间30min下的SiO2纳米流体和(c)ZnO纳米流体的SEM图像。(d)体积分数0.01%的不同纳米流体样品下zeta电位与电导率测试。(e)各体积分数下，SiO2纳米流体随着超声时间的增加与内部电容两端电压Vc和(f)Ql的关系。(g)体积分数为0.01%的SiO2纳米流体在不同超声时间下的Cin测量结果。(h)各体积分数下，ZnO纳米流体随着超声时间的增加与Vc和(i)Ql的关系。(j)体积分数为0.01%的ZnO样品在不同超声时间下的Cin测量结果。
图5TENG-NFD测量系统的等效电容电路模型及算法求解。(a)液固接触起电及电双层形成的原理图。(b)纳米颗粒的电双层结构剖面图。(c)辨识纳米流体参数的等效电路模型，蓝色框为TENG内部电容，红色框为纳米流体的电路参数。(d)纳米流体中通过计算等效电容提取颗粒平均粒径与平均间距的优化算法和分离算法。
图6TENG-NFD测量系统的参数辨识与参数分离的结果。a)不同超声时间下Cin的实际测量值与模型计算值的相似度对比。体积分数为0.01%的SiO2在不同超声时间下的b)CNP测量结果，c)平均粒径分布曲线，d)平均间距。体积分数为0.01%的ZnO在不同超声时间下的e)CNP测量结果，f)平均粒径分布曲线，g)平均间距。体积分数为0.01%的SiO2纳米流体样品通过三种测量方法在不同超声时间下的h)平均粒径和i)平均间距的比较。体积分数为0.01%的ZnO纳米流体样品通过三种测量方法在不同超声时间下的j)平均粒径和k)平均间距的比较。
小结：
综上，本文提出了一种基于VFLS-TENG的纳米流体分散性(NFD)测量系统用于纳米团聚的原位定量表征。利用VFLS-TENG测量了不同体积分数、超声时间和颗粒类型的纳米流体样品的输出特性，获得了内部电容Cin。然后，基于液固界面的电双层模型，建立了能够表征纳米颗粒在纳米流体中的分散性的等效电容电路模型。在此基础上，提出了量子遗传和Levenberg-Marquardt混合算法(QLHA)进行参数辨识，并采用龙格-库塔算法(RKA)进行参数分离，以此量化纳米颗粒团聚体的平均粒径和平均间距。实验结果表明，该测量系统与现有方法具有良好的一致性，并通过DLS和SEM的测量结果验证了TENG-NFD测量系统对纳米流体分散性检测的准确性。该方法能够原位检测纳米颗粒表面的有效电荷，还能同时获得颗粒的平均粒径和平均间距。结合TENG的自供电特性和快速准确性，TENG-NFD测量系统具有直接应用于纳米材料合成过程中纳米颗粒分散性的原位定量在线监测的潜力。此外，本方法还可进一步用于分析纳米流体体系内的多种作用势，为定量演算胶体相变、流体传热、动态润湿、自组装等多尺度过程提供关键参数，进而综合优化纳米流体在多物理场下的设计性能。
作者简介：
论文由重庆大学级博士罗豪和级博士王汉卿为共同第一作者，罗豪，目前研究领域为基于液固摩擦纳米发电机的机理研究与微纳传感；王汉卿，目前研究领域为基于摩擦纳米发电机的新型介观表征方法研究。
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