Styring af termisk ledningsevne af polymerer med lys

Polymerer bruges jævnligt som termiske isolatorer til alt fra at holde drikkevarer varme til at holde følsom elektronik kølig. I nogle tilfælde, polymerer kan endda bruges som termiske ledere for at muliggøre effektiv opvarmning eller afkøling.

I en ny undersøgelse, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har designet og demonstreret en ny type polymer, der demonstrerer en omskiftelig termisk ledningsevne styret af lys. Materialet har potentiale til at dirigere varmeledning på forespørgsel og muliggøre nye, klogere, måder at styre varme på.

Resultaterne er rapporteret i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Polymerer bruges i vid udstrækning i konstruerede systemer, men disse materialer er næsten altid blevet betragtet som termisk statiske. Opdagelse af polymerer, der kan udløses optisk til hurtigt at skifte mellem termisk ledende og isolerende tilstande, vil åbne op for helt nye muligheder inden for termisk teknik, "forklarede Paul Braun, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab (MatSE) og direktør for Illinois Materials Research Laboratory.

"Så vidt vi ved, dette er den første observation af en lysudløst reversibel krystal-væskeovergang i ethvert polymert materiale. Det særligt bemærkelsesværdige fund i denne undersøgelse er den hurtige, reversibel 3-fold ændring i varmeledningsevne forbundet med faseovergangen, " forklarede Jungwoo Shin, en MatSE Ph.D. studerende i Illinois.

Den termiske switch -polymer, der er udviklet af Illinois -forskergruppen, demonstrerer en kraftfuld kontrol af de termofysiske egenskaber af en polymer som reaktion på lys. Denne evne stammer fra et foto-responsivt molekyle, azobenzen, som kan exciteres optisk af ultraviolet (UV) og synligt lys.

"Vi syntetiserede en kompleks polymer funktionaliseret med lysfølsomme azobenzengrupper. Ved at belyse med UV og synligt lys, vi kunne ændre formen på azobenzengruppen, modulere bindingsstyrke mellem kæder og drive en reversibel overgang mellem krystal og væske, " sagde Jaeuk Sung, en MatSE Ph.D. studerende i Illinois.

For at fange de termiske ledningsevneovergange af azobenzenpolymerer under lysbelysning, forskerholdet i Illinois brugte en teknik kaldet time-domain thermoreflectance (TDTR) udviklet af David Cahill, en MatSE professor i Illinois.

"Måden varme transporteres i polymer er relateret til diffusionen af ​​vibrationstilstande. I ordnede krystaller, disse vibrationstilstande rejser meget længere, end hvad der observeres i uordnede væsker. Som resultat, en ekstrem ændring i molekylær orden af ​​polymeren kan ændre den termiske ledningsevne væsentligt, "Sagde David Cahill.

Denne ekstreme ændring i makromolekylær rækkefølge, f.eks., krystal-til-væske, er sjælden i naturen, og er ikke tidligere blevet rapporteret for noget polymersystem som reaktion på lys. Dermed, at optrevle mekanismen for den lysudløste faseovergang var afgørende for at forstå polymerens unikke opførsel.

"Vi kunne observere det, ved lyseksponering, dette materiale skifter hurtigt fra en tilstand til en anden med dramatisk forskellige varmetransportegenskaber. Vi brugte synkrotron-baseret røntgenspredning til at belyse strukturen forbundet med hver tilstand under transformationen, lukning af syntese-karakterisering-funktionsløkken for denne sofistikerede polymer, " tilføjede Cecilia Leal, en MatSE professor i Illinois.

"At holde en elektrisk enhed varm er lige så vigtig som at holde den kold. Materialer med en sådan omskiftelig termisk ledningsevne ville gøre det muligt at holde elektrificerede systemer sikre, pålidelig og effektiv selv under ekstreme forhold." forklarede Andrew Alleyne, direktøren for National Science Foundation (NSF) sponsorerede Engineering Research Center for Power Optimization of Electro-Thermal Systems (POETS), der støttede dette arbejde, og en professor i Mechanical Science and Engineering i Illinois.

"Evnen til hurtigt at skifte de termiske egenskaber af en polymer ved eksponering for lys åbner spændende nye ruter til kontrol af termisk transport og energiomdannelse på molekylært niveau, "tilføjede Nancy Sottos, en MatSE -professor i Illinois.

Dette fund giver et slående eksempel på, hvordan lys kan bruges til at styre polymerernes varmeledningsevne. En bedre forståelse af det fysiske forhold mellem termisk ledningsevne og makromolekylær orden ville også hjælpe med at skubbe grænserne for traditionelle polymerer.