Size - and shape - controlled synthesis of silver nanostructures for potential high thermal conductivity applications

Abstract

Nanofluids, which are based on the use of nanoscale particles suspended in a base fluid, have become a new alternative for improving heat management technology. Ultra fine and monodisperse solid silver particles are a very promising material for cooling fluids as they are known to exhibit the highest electrical and thermal conductivity of among metals. This project is focused on the effect of silver crystal size and shape on the thermal conductivity of the suspensions prepared at various concentrations in ethylene glycol, a typical cooling fluid. The crystal size and shape at the nanoscale are controlled by the synthesis conditions and the presence of shape-control agents like chloride salts. The specific shape-control on the silver nanostructures was achieved by the proper selection of the mole ratios of PVP/Ag in the starting solutions and the type and level of chloride salts such as NaCl and FeCl2, which were significant for the final formation of the silver nanostructures (faceted crystals, wires, rods). These nano structures were remarkably monodisperse in size; the particle diameter could be controlled in the 30 – 50 nm range and the rod or wire thickness in the 24 – 127 nm range. In the case of KCl and CaCl2, the formation of silver nanowires (SNWs) exhibited a very uniform thickness that could be tuned within the range of 40 – 130 nm at 30 minutes of the reaction mixture. UV-Vis measurements evidenced the plasmon peak at ~387 nm and clear shoulders at ~357 nm that are indicative of the formation of elongated nanostructures. Synthesized nanostructures were characterized by X-ray diffraction (XRD and UV-Vis spectroscopy, scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). The influence of size and shape properties, stable dispersion between nanorods and nanowires showed a slight enhancement of thermal conductivity when silver nanostructures (10-15% v/v) were suspended in the base fluid.

Los nanofluidos se han convertido en una alternativa para mejorar la tecnología de gestión térmica que se basa en el uso de partículas a nanoescala suspendidas en el fluido base. Un material muy prometedor, basado en el uso de partículas ultra finas y monodispersas en los fluidos de enfriamiento, es la plata la cual presenta mayor conductividad eléctrica y térmica de entre los metales. En este proyecto, se centra en la evaluación del efecto del tamaño del cristal de plata y el control de la forma en la conductividad térmica de las suspensiones preparadas a diversas concentraciones en glicol de etileno, un típico fluido de enfriamiento. El control del tamaño de cristal y la forma a nanoescala se trató mediante la selección adecuada de las condiciones de síntesis y la presencia de agentes de control de forma utilizando sales de cloruro, tales como NaCl y FeCl2 cual el uso de estas sales fueron significativas para la formación final de la plata dando nanoestructuras (cristales facetados, alambres, varillas). Estas nanoestructuras fueron monodisperas notable en tamaño y su dimensión pudo ser controlada en un intervalo de 30 – 50 nm (partículas) y 24 – 127 nm de espesor para las barras o alambres. En el caso de KCl y CaCl2, la formación de nanoalambres de plata exhibió un espesor muy uniforme que podría ser sintonizado en el rango de 40 – 130 nm a los 30 minutos de la mezcla de reacción. UV-Vis evidencia el pico de plasmones en ~387 nm y ~357 nm del que son indicativos a la formación de nanoestructuras alargadas. Las nanoestructuras sintetizadas se caracterizaron por difracción de rayos X (DRX), espectrofotómetro de absorción de luz (UV-Vis), microscopio electrónico de barrido (SEM) y microscopio electrónico de transmisión (TEM). La influencia del tamaño y las propiedades de forma de las partículas, dispersión estable entre nanobarras y nanoalambres mostraron un leve aumento en las medidas de conductividad térmica cuando nanoestructuras de plata (10 – 15 % v/v) se suspendieron en el fluido base.