Espectroscopia de lente térmica y z-scan aplicadas a la caracterización térnica-ópica de nanofluidos

Abstract

En los últimos años tanto la Espectroscopia de Lente Térmica (TLS por sus siglas en ingles de thermal lens spectroscopy), como la técnica de Z-scan (o barrido en Z) han tenido un alto desarrollo, debido a su gran versatilidad de aplicaciones en el estudio termo-óptico en la nanociencia y la nanotecnología tales como en la caracterización de nanomarcadores biológicos tipo semiconductores, sensores químicos y biológicos, transporte de energía, nanomateriales térmicos, en la terapia fototérmica y medicina, en fotocatálisis, y muy recientemente en la caracterización de los nuevos sistemas de nanofluidos (nanopartículas dispersadas homogéneamente en un líquido). En este trabajo de tesis se implementan por primera vez, en el laboratorio de nanofotónica y propiedades fototérmicas de la UPIITA-IPN, las técnicas de TLS y Z-scan para caracterizar diferentes tipos de nanofluidos variando su concentración, tipo, tamaño de nanopartículas y líquido circundante; para determinar su difusividad térmica y su índice de refracción no lineal, respectivamente. En general, la síntesis de las nanopartículas metálicas se realizó mediante el proceso de reducción química de iones metálicos en presencia de un polímero como estabilizador. Los nanofluidos que se caracterizaron con TL (lente térmica) fueron: nanopartículas (NPs) de Au en un medio de cultivo, NPs de Au con varios solventes, NPs del tipo Au (núcleo) / Ag (coraza) en agua y NPs semiconductoras de TiO2, para estas últimas se usó el método se Sol-Gel. En los resultados se observa un aumento de la difusividad térmica en el líquido por presencia de las nanopartículas por ejemplo para el medio de cultivo con NPs de oro con un tamaño de 10 nm para una razón de concentración de (1/1), se obtuvo una difusividad térmica de 21.27 ± 0.20 × 10-4 cm2/s comparado con el valor obtenido del medio de cultivo sin NPs de 15.26 ± 0.17 × 10-4 cm2/s se observa un incremento considerable de 39 % de la difusividad térmica del medio. Para el caso de nanofluidos con NPs bimetálicas con estructura núcleo/coraza Au/Ag respectivamente, el que tuvo mayor difusividad fue de 23.39 ×10-4 cm2/s de la muestra con relación 1/6 de Au/Ag respectivamente, con un aumento del 67% respecto a la difusividad del agua. Por otro lado para los nanofluidos de nanopartículas de TiO2 también presentaron un aumento en la difusividad térmica del orden de 20 % con respecto a la difusividad térmica del agua. Para el caso de Z-scan se caracterizaron nanofluidos de nanopartículas de Au/Pd en una solución de etanol, con tamaño medio de las NPs entre 3 a 5 nm , para encontrar el índice de refracción no lineal, donde se obtuvieron magnitudes del índice de refracción no lineal del orden de 10-8 cm2/watt. Los resultados muestran que el índice de refracción no lineal tiende a ser no lineal con el incremento de la concentración (Au/Pd). Estos resultados muestran que el nanofluido Au/Pd tiene valores significativos del índice de refracción no lineal, además este puede ser un buen candidato para un material óptico no lineal. Los estudios de las propiedades ópticas, térmicas de nanofluidos están relacionados con aplicaciones importantes en diferentes líneas de nanofluidos como la terapia fotodinámica, fotocatalizadores y estudios del transporte térmico de nanofluidos. Adicionalmente y como parte de la caracterización se usaron las espectroscopias UV-vis, microscopia electrónica de transmisión (TEM) y técnica fotopiroeléctrica (PPE) para encontrar su absorción óptica, tamaño y distribución de las NPs. Abstract In recent years both Thermal Lens Spectroscopy, as the Z-scan technique have had a highly developed, due to the versatility of applications in thermo-optical study in various fields of nanoscience and nanotechnology such as in characterization of biological nano-markers, chemical and biological sensors, energy transport, thermal materials, and photothermal therapy in medicine, catalysis, and more recently in the characterization of new systems nanofluids (nanoparticles homogeneously dispersed in a liquid). In this thesis are mounted and optimized for first time in the laboratory of nanophotonics and photothermal characterization in UPIITA-IPN, the TLS and Z-scan techniques for characterize different types of nanofluids varying its concentration, type and size of nanoparticles surrounding liquid, to determine the thermal diffusivity and nonlinear refractive index, resectively. In general, the synthesis of metal nanoparticles was performed by the chemical reduction process in the presence of metal ions as a polymer stabilizer. The nanofluids characterized with TL were: nanoparticles (NPs) of Au in a culture medium, Au NPs with various solvents, NPs Au (core) / Ag (shell) in water and TiO2 semiconductor NPs, for latest, the sol-gel method was used. The results showed an increase in the thermal diffusivity in the liquid by the presence of the nanoparticles, for example for the medium with gold NPs with a size of 10 nm for a concentration ratio (1/1), a thermal diffusivity of 21.27 ± 0.2 × 10-4 cm2 / s was obtained. If this value is compared with the value obtained from the culture medium without NPs of 15.26 ± 0.17 × 10-4 cm2 / s it is observed a significant increase of 39% of the thermal diffusivity of the medium. For the case of nanofluids with bimetallic NPs with core / shell Au / Ag respectively, the higher value obtained for diffusivity was 23.39 × 10-4 cm2 / s for the sample with 1/6 of Au / Ag ratio, respectively, with an increased 67% compared to water diffusivity. The other hand to nanofluids with TiO2 nanoparticles, increase the thermal diffusivity of about 20 % compared to the thermal diffusivity of water. For the case of Z-scan, nanofluids of Au /Pd nanoparticles in a solution of ethanol with NPs average size between 3 to 5 nm were characterized, in order to find the non-linear refractive index. For the nonlinear refractive index, magnitudes in the order of 10-8 cm2/watt were obtained. The results show that the nonlinear refractive index tends to be non-linearly with increasing concentration (Au / Pd). These results show that the nanofluido Au/Pd have significant values of nonlinear refractive index, and this may be a good candidate for a nonlinear optical material. The studies of the optical-thermal properties nanofluids are related to important applications in different lines nanofluids as photodynamic therapy, photocatalysts and thermal transport studies of nanofluids. Additionally, as part of the characterization UV-vis spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and technical fotopiroeléctrica (PPE) were used in order to find their optical absorption, size and distribution of the NPs.