Kunststoffen zijn uitstekende isolatoren, wat betekent dat ze warmte efficiënt kunnen vasthouden - een kwaliteit die een voordeel kan zijn in zoiets als een koffiekophoes. Maar deze isolerende eigenschap is minder wenselijk in producten zoals plastic behuizingen voor laptops en mobiele telefoons, die kan oververhitten, deels omdat de afdekkingen de warmte vasthouden die de apparaten produceren.

Nu heeft een team van ingenieurs van MIT een thermische geleider van polymeer ontwikkeld - een plastic materiaal dat, echter contra-intuïtief, werkt als warmtegeleider, warmte afvoeren in plaats van isoleren. De nieuwe polymeren, die lichtgewicht en flexibel zijn, kan 10 keer zoveel warmte geleiden als de meeste commercieel gebruikte polymeren.

"Traditionele polymeren zijn zowel elektrisch als thermisch isolerend. De ontdekking en ontwikkeling van elektrisch geleidende polymeren heeft geleid tot nieuwe elektronische toepassingen zoals flexibele displays en draagbare biosensoren, " zegt Yanfei Xu, een postdoc bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT. "Ons polymeer kan veel efficiënter warmte geleiden en afvoeren. We zijn van mening dat polymeren kunnen worden verwerkt tot warmtegeleiders van de volgende generatie voor geavanceerde toepassingen voor thermisch beheer, zoals een zelfkoelend alternatief voor bestaande elektronicabehuizingen."

Xu en een team van postdocs, afgestudeerde studenten, en faculteit, hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang . Het team omvat Xiaoxue Wang, die in gelijke mate hebben bijgedragen aan het onderzoek met Xu, samen met Jiawei Zhou, Bai-lied, Elizabeth Lee, en Samuel Huberman; Zhang Jiang, natuurkundige bij Argonne National Laboratory; Karen Gleason, associate proost van MIT en de Alexander I. Michael Kasser Professor of Chemical Engineering; en Gang Chen, hoofd van MIT's Department of Mechanical Engineering en de Carl Richard Soderberg Professor of Power Engineering.

Spaghetti uitrekken

Als je zou inzoomen op de microstructuur van een gemiddeld polymeer, het zou niet moeilijk zijn om te zien waarom het materiaal zo gemakkelijk warmte vasthoudt. Op microscopisch niveau, polymeren zijn gemaakt van lange ketens van monomeren, of moleculaire eenheden, van begin tot eind verbonden. Deze kettingen zijn vaak verstrikt in een spaghetti-achtige bal. Warmtedragers hebben het moeilijk om door deze wanordelijke puinhoop te bewegen en hebben de neiging om vast te komen te zitten in de polymere snauw en knopen.

En toch, onderzoekers hebben geprobeerd om van deze natuurlijke thermische isolatoren geleiders te maken. Voor elektronica, polymeren zouden een unieke combinatie van eigenschappen bieden, omdat ze lichtgewicht zijn, flexibel, en chemisch inert. Polymeren zijn ook elektrisch isolerend, wat betekent dat ze geen elektriciteit geleiden, en kan daarom worden gebruikt om te voorkomen dat apparaten zoals laptops en mobiele telefoons kortsluiting maken in de handen van hun gebruikers.

Verschillende groepen hebben de afgelopen jaren polymeergeleiders ontwikkeld, inclusief Chen's groep, die in 2010 een methode uitvond om "ultragetrokken nanovezels" te maken van een standaardmonster van polyethyleen. De techniek rekte de rommelige, ongeordende polymeren tot ultradunne, bestelde kettingen - net als het ontwarren van een reeks vakantielichten. Chen ontdekte dat de resulterende kettingen ervoor zorgden dat warmte gemakkelijk langs en door het materiaal kon springen, en dat het polymeer 300 keer zoveel warmte geleidt in vergelijking met gewone kunststoffen.

Maar de van isolator gedraaide geleider kon de warmte maar in één richting afvoeren, langs de lengte van elke polymeerketen. Warmte kon niet reizen tussen polymeerketens, vanwege zwakke Van der Waals-krachten - een fenomeen dat in wezen twee of meer moleculen dicht bij elkaar aantrekt. Xu vroeg zich af of een polymeer materiaal gemaakt kan worden om warmte weg te strooien, in alle richtingen.

Xu vatte de huidige studie op als een poging om polymeren met een hoge thermische geleidbaarheid te ontwikkelen, door gelijktijdig intramoleculaire en intermoleculaire krachten te ontwikkelen - een methode waarvan ze hoopte dat ze efficiënt warmtetransport langs en tussen polymeerketens mogelijk zou maken.

Het team produceerde uiteindelijk een warmtegeleidend polymeer dat bekend staat als polythiofeen, een type geconjugeerd polymeer dat veel wordt gebruikt in veel elektronische apparaten.

Hints van warmte in alle richtingen

Xu, Chen, en leden van Chen's lab werkten samen met Gleason en haar lableden om een ​​nieuwe manier te ontwikkelen om een ​​polymeergeleider te ontwerpen met behulp van oxidatieve chemische dampafzetting (oCVD), waarbij twee dampen in een kamer en op een substraat worden geleid, waar ze op elkaar inwerken en een film vormen. "Onze reactie was in staat om stijve ketens van polymeren te creëren, in plaats van de verwrongen, spaghetti-achtige strengen in normale polymeren", zegt Xu.

In dit geval, Wang liet het oxidatiemiddel in een kamer stromen, samen met een damp van monomeren - individuele moleculaire eenheden die, wanneer geoxideerd, vormen in de ketens bekend als polymeren.

"We kweekten de polymeren op silicium/glassubstraten, waarop het oxidatiemiddel en de monomeren worden geadsorbeerd en gereageerd, gebruikmakend van het unieke zelf-gemodelleerde groeimechanisme van CVD-technologie, "zegt Wang.

Wang produceerde relatief grootschalige monsters, elk met een afmeting van 2 vierkante centimeter - ongeveer zo groot als een duimafdruk.

"Omdat dit monster zo alomtegenwoordig wordt gebruikt, zoals bij zonnecellen, organische veldeffecttransistoren, en organische lichtemitterende diodes, als dit materiaal thermisch geleidend kan worden gemaakt, het kan warmte afvoeren in alle organische elektronica, ' zegt Xu.

Het team heeft de thermische geleidbaarheid van elk monster gemeten met behulp van thermische reflectie in het tijdsdomein - een techniek waarbij ze een laser op het materiaal schieten om het oppervlak te verwarmen en vervolgens de daling van de oppervlaktetemperatuur volgen door de reflectie van het materiaal te meten terwijl de warmte zich verspreidt in de materiaal.

"Het tijdelijke profiel van het verval van de oppervlaktetemperatuur is gerelateerd aan de snelheid van warmteverspreiding, waaruit we de thermische geleidbaarheid konden berekenen, "zegt Zhou.

Gemiddeld, de polymeermonsters waren in staat om warmte te geleiden met ongeveer 2 watt per meter per kelvin - ongeveer 10 keer sneller dan wat conventionele polymeren kunnen bereiken. In het Argonne National Laboratory, Jiang en Xu ontdekten dat polymeermonsters bijna isotroop leken, of uniform. Dit suggereert dat de eigenschappen van het materiaal, zoals de thermische geleidbaarheid, moet ook bijna uniform zijn. Naar aanleiding van deze redenering, het team voorspelde dat het materiaal de warmte in alle richtingen even goed zou moeten geleiden, waardoor het warmteafvoerend vermogen wordt vergroot.

Vooruit gaan, het team zal doorgaan met het onderzoeken van de fundamentele fysica achter de geleidbaarheid van polymeren, evenals manieren om het materiaal te kunnen gebruiken in elektronica en andere producten, zoals behuizingen voor batterijen, en films voor printplaten.

"We kunnen dit materiaal rechtstreeks en conform de vorm op siliciumwafels en verschillende elektronische apparaten aanbrengen", zegt Xu. "Als we kunnen begrijpen hoe thermisch transport [werkt] in deze ongeordende structuren, misschien kunnen we ook aandringen op een hogere thermische geleidbaarheid. Dan kunnen we helpen dit wijdverbreide oververhittingsprobleem op te lossen, en zorgen voor een beter thermisch beheer."