隨著電子設備小型化與功率增加，散熱需求也逐漸上升，相較傳統使用風扇來散熱的方法，使用液體來降溫的方法愈來愈受矚目，也就是所謂的液冷散熱技術。
只不過液冷散熱雖然有更強的散熱能力，有沒有方法能夠進一步提升液冷散熱的能耐呢？今天主廚要來介紹的奈米流體，就是其中一種備受矚目的方案，讓我們一起來看看吧！
什麼是奈米流體？
奈米流體指的是含有奈米粒子的流體，而這些粒子尺寸通常介於1 – 100奈米，最早由美國阿貢實驗室Choi等人於1995年提出，他們發現在流體裡面添加奈米尺寸的粒子有助提升流體的熱傳導率，進而提升散熱能力。
看到這兒，你可能會納悶為什麼提升熱傳導率就能提升散熱能力呢？
首先我們要先了解什麼是熱傳導率，而熱傳導率代表的是介質傳導熱量的能力，熱傳導率愈高代表熱能可以更快地從高溫處傳向低溫處，散熱能力自然愈好。以水來說，熱傳導率約0.6 \rm W \cdot m^{-1} K^{-1}，空氣則大約0.024 \rm W \cdot m^{-1} K^{-1}，水的熱傳導率足足是空氣的25倍，這也是為什麼液冷散熱能力更好的原因。
回到奈米流體本身，如果以水作為比較對象，奈米流體的熱傳導率能夠提升多少呢？
從Rea等人的研究結果來看，在水裡添加直徑50奈米氧化鋁粒子的奈米流體，散熱能力能夠提升27%。然而，奈米流體由基液與粒子組成，而奈米流體性質又與粒子種類、濃度以及直徑有關，所以散熱能力提升多少實際上與許多因素有關。
為什麼奈米流體的散熱能力更好？
前面提到奈米流體有著更加優異的導熱能力，為什麼有這種效果呢？以下歸納三個因素：
粒子的高導熱率
首先粒子本身的導熱率遠比基液還高，前面提到水的導熱率約0.6 \rm W \cdot m^{-1} K^{-1}，如果奈米粒子材質是銅的話，銅的導熱率高達400 \rm W \cdot m^{-1} K^{-1}，足足是水的666倍！就算添加的粒子濃度不高依然能夠提升導熱性。
看到這兒，你可能會想說那是不是愈高的粒子濃度帶來的效果愈好？
雖然愈高的粒子濃度確實能帶來更高的導熱效果，但同時也會增加奈米流體黏性，黏性愈高代表流體愈難流動，需要更大的幫浦才能推動。除此之外，粒子濃度增加也容易導致粒子成團，增加整體的不穩定性，因此愈高的粒子濃度不一定效果更好。
粒子的高比表面積
奈米粒子由於尺寸極小，因此比表面積極高，而所謂的比表面積指的是單位質量材料所對應的表面積，比表面積愈高代表粒子與液體的換熱面積愈大，有更多熱量可以在粒子與液體之間傳遞，進而提升整體熱傳效果。
粒子的布朗運動
第三個原因則是來自粒子的布朗運動，而布朗運動指的是微小粒子在流體中的不規律運動。當粒子尺寸很小的時候，來自液體分子的碰撞力彼此難以抵銷，這會導致粒子出現不規則的運動，而這種不規則運動在微觀尺度上會促進粒子與流體的熱交換。
奈米流體的製作
目前奈米流體的製作方法主要分成單步法(One-step method)與雙步法(two-step method)。雙步法為事先準備好奈米粒子後，再將粒子加入液體，屬於較常見且簡單的製作方法。然而，這種方法的缺點就是粒子容易產生聚集與沉澱。為了解決這個問題，通常還會加入界面活性劑並加以攪拌來避免粒子聚集。
單步法則是直接在流體中合成奈米粒子，雖然可以實現更好的粒子分散效果，但製備難度跟成本也較高。因此，如何製作具有經濟效益且穩定的奈米流體，也是奈米流體發展的課題之一。
主廚結語
本次跟各位簡單介紹奈米流體，不知各位覺得如何呢？隨著運算需求提升，如何提升散熱效能也是個重要課題，儘管奈米粒子有製備上的課題存在，但仍然是個極具潛力的解決方案。如果對這類文章有興趣的話，歡迎追蹤科技雞湯Facebook，持續關注最新消息！
參考資料
- Choi et al., Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, 1995
- Rea et al., Laminar convective heat transfer and viscous pressure loss of alumina-water and zirconia-water nanofluids, 2009
- Wiki, Brownian motion