Tilfældig gang mellem varmebærere i amorfe polymerer

Den iboende struktur af amorfe polymerer er stærkt uordnet med lange, sammenfiltrede molekylære kæder. De betragtes normalt som termiske isolatorer på grund af deres ultra-lave varmeledningsevne. En effektiv måde at forbedre amorfe polymerers varmeledningsevne på er at modulere kædekonformationen ved hjælp af eksternt felt, såsom strækningskraft og elektrisk felt.

Electrospinning fungerer som en effektiv måde at kontrollere kædekonformation. Høj elektrisk spænding og strækningskræfter virker på strålen under fiberdannelsesprocessen. Derfor, molekylkæderne har en tendens til at flugte langs fiberaksen og være mindre sammenfiltrede. Det er blevet observeret, at tyndere nanofibre har en tendens til at besidde højere varmeledningsevne, som figur 1 (a) viser. Nanofibre med en diameter større end 150 nm besidder varmeledningsevne svarende til bulkpolymerer, mens termisk ledningsevne for nanofibre med diameter mindre end 50 nm når en størrelsesorden større end massen af ​​polyimid.

Et mangeårigt problem er, hvordan kædekonformationen påvirker varmeledningsevne. En nylig undersøgelse offentliggjort i National Science Review skelner varmetransporten inden for kæden og mellem forskellige kæder. Intrakædet varmetransport bør være mere effektiv end varmetransport mellem kæder, da kovalent binding mellem kæder er stærkere end inter-kæde Van der Walls-interaktioner. Hvis varmebærerne gennemgår en tilfældig gåtur i molekylkæderne, den termiske diffusivitet svarer til forskellige kædeformationer.

I ultratynde polymer nanofibre (figur 1 (b)), alle molekylkæderne er orienteret langs fiberaksen. Dermed, varmebærerne kunne kun bevæge sig frem eller tilbage i molekylkæden langs fiberaksen, fører til den øvre grænse for varmeledningsevne. Tingene er helt forskellige i bulklignende polymerer (figur 1 (c)):Først, molekylkæderne er gyreret således, at varmebærerne kunne 'gå' ad andre retninger end fiberaksen; sekund, varmebærere har mulighed for at 'hoppe' til en anden kæde på nogle steder, når to kæder interagerer med hinanden. Med andre ord, varmebærere i bulkpolymerer undergår mange ugyldige 'trin' for termisk diffusivitet langs den ønskede retning. For at beskrive diameterafhængigheden af ​​kædekonformation, den nye undersøgelse foreslår en empirisk funktion, der forklarer eksperimentelle resultater godt.

Selvom den reelle netværksstruktur af molekylære kæder i amorfe polymerer endnu ikke er klar, yderligere varmeledningsevne-modeller skal inkorporere polymerers unikke kædestruktur og forskellen mellem intra-kæde og mellemkædet varmetransport. Papiret konkluderer, at en crossover af varmeledning fra 3-D til quasi-1-D er blevet observeret eksperimentelt i amorfe polymer-nanofibre opnået ved elektrospinning. Den tilfældige gangteori for varmebærere forklarer med succes diameterafhængigheden af ​​varmeledningsevne.