Ingeniører forvandler plastisolator til varmeleder

Plast er fremragende isolatorer, hvilket betyder, at de effektivt kan fange varmen - en kvalitet, der kan være en fordel i noget som en kaffekophylster. Men denne isolerende egenskab er mindre ønskelig i produkter som f.eks. Plasthylstre til bærbare computere og mobiltelefoner, som kan overophedes, dels fordi belægningerne fanger den varme, som enhederne producerer.

Nu har et team af ingeniører ved MIT udviklet en polymer termisk leder - et plastmateriale, der dog kontraintuitivt, fungerer som varmeleder, aflede varme i stedet for at isolere den. De nye polymerer, som er lette og fleksible, kan lede 10 gange så meget varme som de fleste kommercielt anvendte polymerer.

"Traditionelle polymerer er både elektrisk og termisk isolerende. Opdagelsen og udviklingen af ​​elektrisk ledende polymerer har ført til nye elektroniske applikationer såsom fleksible skærme og bærbare biosensorer, " siger Yanfei Xu, en postdoc i MIT's Department of Mechanical Engineering. "Vores polymer kan termisk lede og fjerne varme meget mere effektivt. Vi tror på, at polymerer kan gøres til næste generations varmeledere til avancerede termostyringsapplikationer, såsom et selvkølende alternativ til eksisterende elektronikhuse."

Xu og et team af postdocs, kandidatstuderende, og fakultet, har offentliggjort deres resultater i dag i Videnskabens fremskridt . Teamet omfatter Xiaoxue Wang, som bidrog lige så meget til forskningen med Xu, sammen med Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, og Samuel Huberman; Zhang Jiang, fysiker ved Argonne National Laboratory; Karen Gleason, associeret proost ved MIT og Alexander I. Michael Kasser professor i kemiteknik; og Gang Chen, leder af MIT's Institut for Maskinteknik og Carl Richard Soderberg Professor i Power Engineering.

Strækende spaghetti

Hvis du skulle zoome ind på mikrostrukturen i en gennemsnitlig polymer, det ville ikke være svært at se, hvorfor materialet fanger varmen så let. På det mikroskopiske niveau, polymerer er fremstillet af lange kæder af monomerer, eller molekylære enheder, forbundet ende til ende. Disse kæder er ofte sammenfiltrede i en spaghetti-lignende kugle. Varmebærere har svært ved at bevæge sig gennem dette uordnede rod og har tendens til at blive fanget i de polymere snerren og knuder.

Og stadigvæk, forskere har forsøgt at gøre disse naturlige varmeisolatorer til ledere. Til elektronik, polymerer ville tilbyde en unik kombination af egenskaber, da de er lette, fleksibel, og kemisk inert. Polymerer er også elektrisk isolerende, hvilket betyder, at de ikke leder elektricitet, og kan derfor bruges til at forhindre, at enheder som laptops og mobiltelefoner kortslutter i brugernes hænder.

Flere grupper har konstrueret polymerledere i de seneste år, herunder Chens gruppe, som i 2010 opfandt en metode til at skabe "ultratrukne nanofibre" fra en standardprøve af polyethylen. Teknikken strakte det rodede ud, uordnede polymerer til ultratynde, bestilte kæder - ligesom at afvikle en række ferielys. Chen fandt ud af, at de resulterende kæder gjorde det muligt for varmen let at springe langs og gennem materialet, og at polymeren førte 300 gange så meget varme sammenlignet med almindelig plast.

Men den isolator-drejede leder kunne kun sprede varme i én retning, langs længden af ​​hver polymerkæde. Varme kunne ikke bevæge sig mellem polymerkæder, på grund af svage Van der Waals-kræfter - et fænomen, der i det væsentlige tiltrækker to eller flere molekyler tæt på hinanden. Xu spekulerede på, om et polymermateriale kunne laves til at sprede varme væk, i alle retninger.

Xu opfattede den aktuelle undersøgelse som et forsøg på at konstruere polymerer med høj varmeledningsevne, ved samtidig at konstruere intramolekylære og intermolekylære kræfter - en metode, som hun håbede ville muliggøre effektiv varmetransport langs og mellem polymerkæder.

Holdet producerede i sidste ende en varmeledende polymer kendt som polythiophen, en type konjugeret polymer, der almindeligvis bruges i mange elektroniske enheder.

Hints om varme i alle retninger

Xu, Chen, og medlemmer af Chens laboratorium gik sammen med Gleason og hendes laboratoriemedlemmer for at udvikle en ny måde at konstruere en polymerleder ved hjælp af oxidativ kemisk dampaflejring (oCVD), hvorved to dampe ledes ind i et kammer og på et substrat, hvor de interagerer og danner en film. "Vores reaktion var i stand til at skabe stive kæder af polymerer, snarere end det snoede, spaghetti-lignende tråde i normale polymerer." siger Xu.

I dette tilfælde, Wang førte oxidanten ind i et kammer, sammen med en damp af monomerer - individuelle molekylære enheder, der, når det er oxideret, dannes i kæderne kendt som polymerer.

"Vi dyrkede polymererne på silicium/glasunderlag, hvorpå oxidanten og monomererne adsorberes og reageres, udnyttelse af CVD-teknologiens unikke selvskabte vækstmekanisme, "Siger Wang.

Wang producerede relativt store prøver, hver måler 2 kvadratcentimeter - omtrent på størrelse med et tommelfingeraftryk.

"Fordi denne prøve bruges så allestedsnærværende, som i solceller, organiske felteffekttransistorer, og organiske lysemitterende dioder, hvis dette materiale kan fremstilles til at være termisk ledende, det kan sprede varme i al organisk elektronik, " siger Xu.

Holdet målte hver prøves varmeledningsevne ved hjælp af tidsdomænetermisk refleksion-en teknik, hvor de skyder en laser på materialet for at opvarme overfladen og derefter overvåge faldet i overfladetemperaturen ved at måle materialets reflektans, når varmen breder sig ind i materiale.

"Den tidsmæssige profil af forfaldet af overfladetemperatur er relateret til hastigheden af ​​varmespredning, hvorfra vi var i stand til at beregne den termiske ledningsevne, "Siger Zhou.

Gennemsnitlig, polymerprøverne var i stand til at lede varme ved cirka 2 watt pr. meter pr. kelvin - cirka 10 gange hurtigere end hvad konventionelle polymerer kan opnå. På Argonne National Laboratory, Jiang og Xu fandt ud af, at polymerprøver virkede næsten isotropiske, eller uniform. Dette tyder på, at materialets egenskaber, såsom dens varmeledningsevne, bør også være næsten ensartet. Efter denne begrundelse, teamet forudsagde, at materialet skulle lede varme lige godt i alle retninger, øger dets varmeafledende potentiale.

Fremadrettet, holdet vil fortsætte med at undersøge den grundlæggende fysik bag polymer konduktivitet, samt måder at gøre det muligt for materialet at blive brugt i elektronik og andre produkter, såsom kabinetter til batterier, og film til printkort.

"Vi kan direkte og konform belægge dette materiale på siliciumskiver og forskellige elektroniske enheder," siger Xu. "Hvis vi kan forstå, hvordan termisk transport [virker] i disse uordnede strukturer, måske kan vi også presse på for højere varmeledningsevne. Så kan vi hjælpe med at løse dette udbredte overophedningsproblem, og give bedre termisk styring. "