Polymer termisk regulator omdannes fra leder til isolator og tilbage igen

Polymerer bruges til at udvikle forskellige materialer, såsom plastik, nylon og gummi. I deres mest grundlæggende form, de består af mange identiske molekyler, der er forbundet gentagne gange, som en kæde. Engineering molekyler til at forbinde sig sammen på specifikke måder kan diktere egenskaberne af den resulterende polymer.

Ved at bruge denne metode, Sheng Shen, en lektor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University, og hans forskerhold skabte en polymer termisk regulator, der hurtigt kan omdannes fra en leder til en isolator og tilbage igen. Når det er en dirigent, varme overføres hurtigt. Når det er en isolator, varme overføres meget langsommere. Ved at skifte mellem de to tilstande, den termiske regulator kan styre sin egen temperatur, samt temperaturen i omgivelserne, såsom køleskab eller computer.

For at skifte mellem høj til lav ledningsevne, selve strukturen af ​​polymeren skal ændres. Denne transformation aktiveres udelukkende med varme. Polymeren starter "med en højt ordnet krystallinsk struktur, " sagde Shen. "Men når først du øger temperaturen på polymerfiberen til omkring 340 Kelvin, så ændres molekylstrukturen og bliver sekskantet."

Resultaterne blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt i et papir med titlen "High-Contrast and Reversible Polymer Thermal Regulator by Structural Phase Transition."

Omdannelsen sker, fordi varmen retter sig mod molekylebindingerne. "Bindningen af ​​molekylerne bliver ret svag, " sagde Shen. "Så segmenterne kan rotere." Og når først segmenterne roterer, strukturen bliver uorden, reducerer dens varmeledningsevne betydeligt. Denne type overgang er kendt som en fast-fast overgang; selvom polymeren når temperaturer tæt på dets smeltepunkt, det forbliver et fast stof gennem processen.

Når man studerer polymerens transformation, Shen koncentrerede sine data om, hvordan dens ledningsevne ændrede sig. Han indsamlede også data om andre faseovergange, så han kunne sammenligne forholdet. "Når man ser på alle de materialer, vi har på Jorden, ledningsevneændringen er, højst, en faktor fire, " siger Shen. "Her, vi har allerede opdaget et nyt materiale, der kan have en ledningsevneændring på omkring 10."

Derudover den strukturelle forandring kan ske hurtigt, inden for et område på 5 grader Kelvin. Det er også reversibelt, som gør det muligt at tænde og slukke den som en kontakt. Den kan håndtere meget højere temperaturer end andre termiske regulatorer, forbliver stabil op til 560 grader Kelvin. Det er svært at bryde ned, så den kan overleve mange overgange. Og da det er varmebaseret, den bruger ikke så mange bevægelige dele som typiske kølemetoder, gør det meget mere effektivt.

Mens denne forskning er blevet udforsket teoretisk tidligere, Shens værk er første gang, det er blevet vist eksperimentelt. Shen mener, at polymeren vil have anvendelse i den virkelige verden. "Denne kontrol af varmestrømmen på nanoskala åbner for nye muligheder såsom at udvikle omskiftelige termiske enheder, faststofkøling, fjernelse af spildvarme, termiske kredsløb og databehandling, " sagde Shen.

Dette arbejde bygger på tidligere forskning i Shens laboratorium, hvor hans team udviklede en polymer nanofiber, der var stærk, letvægts, termisk ledende, elektrisk isolerende og biokompatibel - alt sammen med en bredde på mindre end 100 nanometer.