Nanofluids—dispersions of nanometer-sized particles in a liquid medium—have been proposed for a wide variety of thermal management applications. It is known that a solid-like nanolayer of liquid of typical thicknesses of 0.5–1 nm surrounding the colloidal nanoparticles can act as a thermal bridge between the nanoparticle and the bulk liquid. Yet, its effect on the nanofluid viscosity has not been elucidated so far. In this article, we compute the local viscosity of the nanolayer using equilibrium molecular dynamics based on the Green–Kubo formula. We first assess the validity of the method to predict the viscosity locally. We apply this methodology to the calculation of the local viscosity in the immediate vicinity of a metallic nanoparticle for a wide range of solid–liquid interaction strength, where a nanolayer of thickness 1 nm is observed as a result of the interaction with the nanoparticle. The viscosity of the nanolayer, which is found to be higher than its corresponding bulk value, is directly dependent on the solid–liquid interaction strength. We discuss the origin of this viscosity enhancement and show that the liquid density increment alone cannot explain the values of the viscosity observed. Rather, we suggest that the solid-like structure of the distribution of the liquid atoms in the vicinity of the nanoparticle contributes to the nanolayer viscosity enhancement. Finally, we observe a failure of the Stokes–Einstein relation between viscosity and diffusion close to the wall, depending on the liquid–solid interaction strength, which we rationalize in terms of the hydrodynamic slip.

1.
S. U. S.
Choi
,
J. Heat Transfer
131
,
033106
(
2009
).
2.
P.
Katiyar
and
J. K.
Singh
,
J. Chem. Phys.
150
,
044708
(
2019
).
3.
K. R. V.
Subramanian
,
T. N.
Rao
,
A.
Balakrishnan
,
M. E.
Zayed
,
S. W.
Sharshir
,
J.
Shaibo
,
F. A.
Hammad
,
M. K. A.
Ali
,
S.
Sargana
,
K. K.
Salman
,
E. M. A.
Edreis
,
J.
Zhao
,
C.
Du
, and
A. H.
Elsheikh
,
Nanofluids and Their Engineering Applications
(
CRC Press
,
2019
), pp.
405
429
.
4.
R.
Taylor
,
S.
Coulombe
,
T.
Otanicar
,
P.
Phelan
,
A.
Gunawan
,
W.
Lv
,
G.
Rosengarten
,
R.
Prasher
, and
H.
Tyagi
,
J. Appl. Phys.
113
,
011301
(
2013
).
5.
J.
Buongiorno
,
J. Heat Transfer
128
,
240
(
2006
).
6.
F.
Jabbari
,
A.
Rajabpour
, and
S.
Saedodin
,
Chem. Eng. Sci.
174
,
67
(
2017
).
7.
A. S.
Tascini
,
J.
Armstrong
,
E.
Chiavazzo
,
M.
Fasano
,
P.
Asinari
, and
F.
Bresme
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
3244
(
2017
).
8.
S.
Salassi
,
A.
Cardellini
,
P.
Asinari
,
R.
Ferrando
, and
G.
Rossi
,
Nanoscale Adv.
2
,
3181
(
2020
).
9.
S.
Noorzadeh
,
F.
Sadegh Moghanlou
,
M.
Vajdi
, and
M.
Ataei
,
J. Compos. Compd.
2
,
175
(
2020
).
10.
P.
Warrier
and
A.
Teja
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
247
(
2011
).
11.
N.
Ali
,
J. A.
Teixeira
, and
A.
Addali
,
J. Nanomater.
2018
,
6978130
.
12.
G.
Puliti
,
S.
Paolucci
, and
M.
Sen
,
J. Nanopart. Res.
14
,
1296
(
2012
).
13.
R.
Ramirez-Tijerina
,
C.
Rivera-Solorio
,
J.
Singh
, and
K.
Nigam
,
Appl. Sci.
8
,
2661
(
2018
).
14.
V.
Sridhara
and
L. N.
Satapathy
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
456
(
2011
).
15.
S. H.
Kim
,
S. R.
Choi
, and
D.
Kim
,
J. Heat Transfer
129
,
298
(
2007
).
16.
Y.
Hwang
,
J. K.
Lee
,
C. H.
Lee
,
Y. M.
Jung
,
S. I.
Cheong
,
C. G.
Lee
,
B. C.
Ku
, and
S. P.
Jang
,
Thermochim. Acta
455
,
70
(
2007
).
17.
W.
Yu
,
D. M.
France
,
D. S.
Smith
,
D.
Singh
,
E. V.
Timofeeva
, and
J. L.
Routbort
,
Int. J. Heat Mass Transfer
52
,
3606
(
2009
).
18.
C.
Ezekwem
and
A.
Dare
,
Energy Sources, Part A
1
,
1
–19 (
2020
).
19.
D.
Singh
,
E.
Timofeeva
,
W.
Yu
,
J.
Routbort
,
D.
France
,
D.
Smith
, and
J. M.
Lopez-Cepero
,
J. Appl. Phys.
105
,
064306
(
2009
).
20.
M.
Ramzan
,
M.
Mohammad
, and
F.
Howari
,
Sci. Rep.
9
,
12225
(
2019
).
21.
Y.
Li
,
S.
Suzuki
,
T.
Inagaki
, and
N.
Yamauchi
,
J. Phys.: Conf. Ser.
557
,
012051
(
2014
).
22.
N. A. C.
Sidik
,
M. N. A. W. M.
Yazid
, and
S.
Samion
,
Int. J. Heat Mass Transfer
111
,
782
(
2017
).
23.
F. D. S.
Marquis
and
L. P. F.
Chibante
,
JOM
57
,
32
(
2005
).
24.
L.
Fedele
,
L.
Colla
,
S.
Bobbo
,
S.
Barison
, and
F.
Agresti
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
300
(
2011
).
25.
M.
Aleem
,
M. I.
Asjad
,
A.
Shaheen
, and
I.
Khan
,
Chaos, Solitons Fractals
130
,
109437
(
2020
).
26.
K. S.
Pavithra
,
M. P.
Fasiulla Yashoda
, and
S.
Prasannakumar
,
Part. Sci. Technol.
38
,
559
(
2020
).
27.
M.
Wanic
,
D.
Cabaleiro
,
S.
Hamze
,
J.
Fal
,
P.
Estellé
, and
G.
Żyła
,
J. Therm. Anal. Calorim.
139
,
799
(
2020
).
28.
W. N.
Mutuku
,
Asia Pac. J. Comput. Eng.
3
,
1
(
2016
).
29.
M.
Hemmat Esfe
,
A.
Karimipour
,
W.-M.
Yan
,
M.
Akbari
,
M. R.
Safaei
, and
M.
Dahari
,
Int. J. Heat Mass Transfer
88
,
728
(
2015
).
30.
V.
Eswaraiah
,
V.
Sankaranarayanan
, and
S.
Ramaprabhu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
3
,
4221
(
2011
).
31.
D.
Li
,
W.
Xie
, and
W.
Fang
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
373
(
2011
).
32.
I.
Tlili
,
N.
Sandeep
,
M.
Girinath Reddy
, and
H. A.
Nabwey
,
Ain Shams Eng. J.
11
,
1255
(
2020
).
33.
E.-o.-l.
Ettefaghi
,
H.
Ahmadi
,
A.
Rashidi
,
A.
Nouralishahi
, and
S. S.
Mohtasebi
,
Int. Commun. Heat Mass Transfer
46
,
142
(
2013
).
34.
A.
Bhattad
,
J.
Sarkar
, and
P.
Ghosh
,
Renewable Sustainable Energy Rev.
82
,
3656
(
2018
).
35.
S. A.
Fadhilah
,
R. S.
Marhamah
, and
A. H. M.
Izzat
,
J. Nanopart.
2014
,
890751
.
36.
H.
Peng
,
G.
Ding
, and
H.
Hu
,
Int. J. Refrig.
34
,
1823
1832
(
2011
).
37.
J. R.
Satti
,
D. K.
Das
, and
D.
Ray
,
Int. J. Heat Mass Transfer
107
,
871
(
2017
).
38.
G.
Qiao
,
M.
Lasfargues
,
A.
Alexiadis
, and
Y.
Ding
,
Appl. Therm. Eng.
111
,
1517
(
2017
).
39.
C.
Kleinstreuer
and
Y.
Feng
,
Nanoscale Res. Lett.
6
,
229
(
2011
).
40.
S. E. B.
Maïga
,
S. J.
Palm
,
C. T.
Nguyen
,
G.
Roy
, and
N.
Galanis
,
Int. J. Heat Fluid Flow
26
,
530
(
2005
).
41.
D.
Han
,
W. F.
He
, and
F. Z.
Asif
,
Energy Procedia
142
,
2547
2553
(
2017
).
42.
C.
Maradiya
,
J.
Vadher
, and
R.
Agarwal
,
Beni-Suef Univ. J. Basic Appl. Sci.
7
,
1
(
2018
).
43.
R.
Chebbi
,
AIChE J.
61
,
2368
(
2015
).
44.
O.
Gustafsson
,
S.
Gustafsson
,
L.
Manukyan
, and
A.
Mihranyan
,
Membranes
8
,
90
(
2018
).
45.
B.
Yang
,
J. Heat Transfer
130
,
042408
(
2008
).
46.
E. E.
Michaelides
,
Int. J. Heat Mass Transfer
81
,
179
(
2015
).
47.
G.
Galliero
and
S.
Volz
,
J. Chem. Phys.
128
,
064505
(
2008
).
48.
M. S.
Astanina
,
E.
Abu-Nada
, and
M. A.
Sheremet
,
J. Heat Transfer
140
,
082401
(
2018
).
49.
R. D.
Selvakumar
and
J.
Wu
,
J. Mol. Liq.
292
,
111415
(
2019
).
50.
K. V.
Wong
and
M. J.
Castillo
,
Adv. Mech. Eng
2
,
1
–9 (
2010
).
51.
Y.
Xuan
,
Q.
Li
, and
W.
Hu
,
AIChE J.
49
,
1038
(
2003
).
52.
S.
Volz
,
J.
Ordonez-Miranda
,
A.
Shchepetov
,
M.
Prunnila
,
J.
Ahopelto
,
T.
Pezeril
,
G.
Vaudel
,
V.
Gusev
,
P.
Ruello
,
E. M.
Weig
,
M.
Schubert
,
M.
Hettich
,
M.
Grossman
,
T.
Dekorsy
,
F.
Alzina
,
B.
Graczykowski
,
E.
Chavez-Angel
,
J.
Sebastian Reparaz
,
M. R.
Wagner
,
C. M.
Sotomayor-Torres
,
S.
Xiong
,
S.
Neogi
, and
D.
Donadio
,
Eur. Phys. J. B
89
,
15
(
2016
).
53.
H.
Han
,
L.
Feng
,
S.
Xiong
,
T.
Shiga
,
J.
Shiomi
,
S.
Volz
, and
Y. A.
Kosevich
,
Low Temp. Phys.
42
,
711
(
2016
).
54.
P.
Keblinski
,
S. R.
Phillpot
,
S. U. S.
Choi
, and
J. A.
Eastman
,
Int. J. Heat Mass Transfer
45
,
855
(
2001
).
55.
H.
Jiang
,
H.
Li
,
Q.
Xu
, and
L.
Shi
,
Mater. Chem. Phys.
148
,
195
(
2014
).
56.
Q.
Xue
and
W.-M.
Xu
,
Mater. Chem. Phys.
90
,
298
(
2005
).
57.
W.
Fan
and
F.
Zhong
,
ACS Omega
5
,
27972
(
2020
).
58.
L.
Li
,
Y.
Zhang
,
H.
Ma
, and
M.
Yang
,
Phys. Lett. A
372
,
4541
(
2008
).
59.
W.
Cui
,
Z.
Shen
,
J.
Yang
, and
S.
Wu
,
Int. Commun. Heat Mass Transfer
71
,
75
(
2016
).
60.
M. M.
Heyhat
,
A.
Rajabpour
,
M.
Abbasi
, and
S.
Arabha
,
J. Mol. Liq.
264
,
699
(
2018
).
61.
A.
Rajabpour
,
R.
Seif
,
S.
Arabha
,
M. M.
Heyhat
,
S.
Merabia
, and
A.
Hassanali
,
J. Chem. Phys.
150
,
114701
(
2019
).
62.
W.
Yu
and
S. U. S.
Choi
,
J. Nanopart. Res.
5
,
167
(
2003
).
63.
W.
Yu
and
S. U. S.
Choi
,
J. Nanopart. Res.
6
,
355
(
2004
).
64.
M.
Sharifpur
,
S.
Yousefi
, and
J. P.
Meyer
,
Int. Commun. Heat Mass Transfer
78
,
168
(
2016
).
65.
K.
Bashirnezhad
,
S.
Bazri
,
M. R.
Safaei
,
M.
Goodarzi
,
M.
Dahari
,
O.
Mahian
,
A. S.
Dalkılıça
, and
S.
Wongwises
,
Int. Commun. Heat Mass Transfer
73
,
114
(
2016
).
66.
E. W.
Woolard
,
A.
Einstein
,
R.
Furth
, and
A. D.
Cowper
,
Am. Math. Mon.
35
,
318
(
1928
).
67.
H. C.
Brinkman
,
J. Chem. Phys.
20
,
571
(
1952
).
68.
G. K.
Batchelor
,
J. Fluid Mech.
83
,
97
(
1977
).
69.
J.
Avsec
and
M.
Oblak
,
Int. J. Heat Mass Transfer
50
,
4331
(
2007
).
70.
P. J.
Daivis
and
B. D.
Todd
,
Processes
6
,
144
(
2018
).
71.
H.
Hoang
and
G.
Galliero
,
Phys. Rev. E
86
,
021202
(
2012
).
72.
H.
Hoang
and
G.
Galliero
,
J. Chem. Phys.
136
,
124902
(
2012
).
73.
J. S.
Hansen
,
J. C.
Dyre
,
P.
Daivis
,
B. D.
Todd
, and
H.
Bruus
,
Langmuir
31
,
13275
(
2015
).
74.
J. A.
Bollinger
,
A.
Jain
, and
T. M.
Truskett
,
Langmuir
30
,
8247
(
2014
).
75.
S. T.
Cui
,
P. T.
Cummings
, and
H. D.
Cochran
,
Mol. Phys.
88
,
1657
(
1996
).
76.
M.
Mouas
,
J.-G.
Gasser
,
S.
Hellal
,
B.
Grosdidier
,
A.
Makradi
, and
S.
Belouettar
,
J. Chem. Phys.
136
,
094501
(
2012
).
77.
M.
Neek-Amal
,
F. M.
Peeters
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. K.
Geim
,
ACS Nano
10
,
3685
(
2016
).
78.
A.
Barati Farimani
and
N. R.
Aluru
,
J. Phys. Chem. C
120
,
23763
(
2016
).
79.
H.
Wang
,
Y.
Su
,
W.
Wang
,
G.
Sheng
,
H.
Li
, and
A.
Zafar
,
Fuel
253
,
1351
(
2019
).
80.
F.
Li
,
I. A.
Korotkin
, and
S. A.
Karabasov
,
Langmuir
36
,
5633
(
2020
).
81.
K.
Wu
,
Z.
Chen
,
J.
Li
,
X.
Li
,
J.
Xu
, and
X.
Dong
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
3358
(
2017
).
82.
I. N.
Tsimpanogiannis
,
S. H.
Jamali
,
I. G.
Economou
,
T. J. H.
Vlugt
, and
O. A.
Moultos
,
Mol. Phys.
118
,
e1702729
(
2020
).
83.
D.
Duque-Zumajo
,
J. A.
De La Torre
, and
P.
Español
,
J. Chem. Phys.
152
,
174108
(
2020
).
84.
M. H.
Köhler
,
J. R.
Bordin
,
L. B.
Da Silva
, and
M. C.
Barbosa
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
12921
(
2017
).
85.
A.
Zaragoza
,
M. A.
Gonzalez
,
L.
Joly
,
I.
López-Montero
,
M. A.
Canales
,
A. L.
Benavides
, and
C.
Valeriani
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
13653
(
2019
).
86.
M. R.
Hasan
and
B. H.
Kim
,
Phys. Rev. E
102
,
033110
(
2020
).
87.
R.
Zhou
,
C.
Sun
, and
B.
Bai
,
J. Chem. Phys.
154
,
074709
(
2021
).
88.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
89.
A.
Stukowski
,
Modell. Simul. Mater. Sci. Eng.
18
,
025016
(
2010
).
90.
E. M.
Kirova
and
G. E.
Norman
,
J. Phys.: Conf. Ser.
653
,
012106
(
2015
).
91.
M. P.
Allen
and
D. J.
Tildesley
,
Computer Simulation of Liquids
, 2nd ed. (
Oxford University Press
,
2017
).
92.
P.
Simonnin
,
B.
Noetinger
,
C.
Nieto-Draghi
,
V.
Marry
, and
B.
Rotenberg
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
2881
(
2017
).
93.
A.
Einstein
,
Ann. Phys.
322
,
549
(
1905
).
94.
J. T.
Edward
,
J. Chem. Educ.
47
,
261
(
1970
).
95.
A. T.
Celebi
,
S. H.
Jamali
,
A.
Bardow
,
T. J. H.
Vlugt
, and
O. A.
Moultos
,
Mol. Simul.
47
,
831
(
2020
).
96.
K.
Meier
,
A.
Laesecke
, and
S.
Kabelac
,
J. Chem. Phys.
121
,
9526
(
2004
).
97.
M.
Barisik
and
A.
Beskok
,
Microfluid. Nanofluid.
11
,
269
(
2011
).
98.
J.
Delhommelle
and
P.
Millié
,
Mol. Phys.
99
,
619
(
2001
).
99.
R.
Rabani
,
G.
Heidarinejad
,
J.
Harting
, and
E.
Shirani
,
J. Mol. Model.
26
,
180
(
2020
).
100.
M.
Zarringhalam
,
H.
Ahmadi-Danesh-Ashtiani
,
D.
Toghraie
, and
R.
Fazaeli
,
J. Mol. Liq.
293
,
111474
(
2019
).
101.
H.
Heinz
,
R. A.
Vaia
,
B. L.
Farmer
, and
R. R.
Naik
,
J. Phys. Chem. C
112
,
17281
(
2008
).
102.
R.
Rabani
,
G.
Heidarinejad
,
J.
Harting
, and
E.
Shirani
,
Int. J. Therm. Sci.
153
,
106394
(
2020
).
103.
R.
Rabani
,
G.
Heidarinejad
,
J.
Harting
, and
E.
Shirani
,
Int. J. Heat Mass Transfer
147
,
118929
(
2020
).
104.
R.
Kubo
,
J. Phys. Soc. Jpn.
12
,
570
(
1957
).
105.
R.
Zwanzig
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
16
,
67
(
1965
).
106.
K.
Hyżorek
and
K. V.
Tretiakov
,
J. Chem. Phys.
144
,
194507
(
2016
).
107.
E. W.
Lemmon
and
R. T.
Jacobsen
,
Int. J. Thermophys.
25
,
21
(
2004
).
108.
G. S.
Fanourgakis
,
J. S.
Medina
, and
R.
Prosmiti
,
J. Phys. Chem. A
116
,
2564
(
2012
).
109.
I.-C.
Yeh
and
G.
Hummer
,
J. Phys. Chem. B
108
,
15873
(
2004
).
110.
B.
Hess
,
J. Chem. Phys.
116
,
209
(
2002
).
111.
T.
Chen
,
B.
Smit
, and
A. T.
Bell
,
J. Chem. Phys.
131
,
246101
(
2009
).
112.
G.
Galliéro
,
C.
Boned
, and
A.
Baylaucq
,
Ind. Eng. Chem. Res.
44
,
6963
(
2005
).
113.
G.
Karniadakis
,
A.
Beskok
, and
A.
Narayan
,
Microflows and Nanoflows
(
Springer
,
2005
).
114.
Z.
Shi
,
P. G.
Debenedetti
, and
F. H.
Stillinger
,
J. Chem. Phys.
138
,
12A526
(
2013
).
115.
Y. J.
Jung
,
J. P.
Garrahan
, and
D.
Chandler
,
Phys. Rev. E
69
,
061205
(
2004
).
116.
J. P.
Hansen
and
I. R.
McDonald
,
Theory of Simple Liquids: With Applications to Soft Matter
, 4th ed. (
Elsevier
,
2013
).
117.
M. D.
Ediger
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
51
,
99
(
2000
).
118.
Z. W.
Wu
and
R.
Li
,
Sci. China Phys. Mech. Astron.
63
,
276111
(
2020
).
119.
L.
Berthier
and
G.
Biroli
,
Rev. Mod. Phys.
83
,
587
(
2011
).
120.
A.
Cavagna
,
Phys. Rep.
476
,
51
(
2009
).
121.
E.
Lauga
and
T. M.
Squires
,
Phys. Fluids
17
,
103102
(
2005
).
122.
L.
Joly
,
C.
Ybert
, and
L.
Bocquet
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
046101
(
2006
).
123.
A.
Saugey
,
L.
Joly
,
C.
Ybert
,
J. L.
Barrat
, and
L.
Bocquet
,
J. Phys.: Condens. Matter
17
,
S4075
(
2005
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.