Polymeren worden regelmatig gebruikt als thermische isolatoren voor alles, van het warm houden van dranken tot het koel houden van gevoelige elektronica. In sommige gevallen, polymeren kunnen zelfs worden gebruikt als thermische geleiders om efficiënte verwarming of koeling mogelijk te maken.

In een nieuwe studie, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een nieuw type polymeer ontworpen en gedemonstreerd dat een schakelbare thermische geleidbaarheid aantoont die wordt gecontroleerd door licht. Het materiaal heeft het potentieel om de warmtegeleiding naar behoefte te routeren en nieuwe, slimmer, manieren om met warmte om te gaan.

De bevindingen worden gerapporteerd in Proceedings van de National Academy of Sciences .

"Polymeren worden veel gebruikt in technische systemen, maar deze materialen zijn bijna altijd als thermisch statisch beschouwd. De ontdekking van polymeren die optisch kunnen worden geactiveerd om snel te schakelen tussen thermisch geleidende en isolerende toestanden, zal geheel nieuwe kansen bieden in thermische engineering, " legde Paul Braun uit, een materiaalwetenschap en -techniek (MatSE) professor en directeur van het Illinois Materials Research Laboratory.

"Voor zover wij weten, dit is de eerste waarneming van een door licht getriggerde omkeerbare kristal-vloeistofovergang in een polymeer materiaal. De bijzonder opvallende bevinding in deze studie is de snelle, omkeerbare 3-voudige verandering in thermische geleidbaarheid geassocieerd met de faseovergang, " legde Jungwoo Shin uit, een MatSE Ph.D. student aan Illinois.

Het door het onderzoeksteam van Illinois ontwikkelde thermische schakelpolymeer laat een krachtige controle zien van de thermofysische eigenschappen van een polymeer als reactie op licht. Dit vermogen is afkomstig van een fotogevoelig molecuul, azobenzeen, die optisch kan worden geëxciteerd door ultraviolet (UV) en zichtbaar licht.

"We hebben een complex polymeer gesynthetiseerd dat is gefunctionaliseerd met lichtgevoelige azobenzeengroepen. Door te verlichten met UV en zichtbaar licht, we kunnen de vorm van de azobenzeengroep veranderen, de bindingssterkte tussen ketens moduleren en een omkeerbare overgang tussen kristal en vloeistof aansturen, " zei Jaeuk Sung, een MatSE Ph.D. student aan Illinois.

Om de thermische geleidbaarheidsovergangen van azobenzeenpolymeren onder lichte verlichting vast te leggen, het onderzoeksteam uit Illinois gebruikte een techniek genaamd time-domain thermoreflectance (TDTR), ontwikkeld door David Cahill, een MatSE-professor in Illinois.

"De manier waarop warmte in polymeer wordt gedragen, is gerelateerd aan de diffusie van vibratiemodi. In geordende kristallen, deze vibratiemodi reizen veel verder dan wat wordt waargenomen in ongeordende vloeistoffen. Als resultaat, een extreme verandering in de moleculaire ordening van het polymeer kan de thermische geleidbaarheid aanzienlijk veranderen, ' zei David Cahill.

Deze extreme verandering in macromoleculaire ordening, bijv. kristal-naar-vloeistof, is zeldzaam van aard, en is niet eerder gerapporteerd voor enig polymeersysteem als reactie op licht. Dus, het ontrafelen van het mechanisme van de door licht getriggerde faseovergang was van cruciaal belang om het unieke gedrag van het polymeer te begrijpen.

“Dat konden we constateren, bij blootstelling aan licht, dit materiaal schakelt snel van de ene toestand naar de andere met dramatisch verschillende warmtetransporteigenschappen. We gebruikten op synchrotron gebaseerde röntgenverstrooiing om de structuur te verduidelijken die bij elke toestand tijdens de transformatie hoort, het sluiten van de synthese-karakterisering-functielus voor dit geavanceerde polymeer, " voegde Cecilia Leal toe, een MatSE-professor in Illinois.

"Het warm houden van een elektrisch apparaat is net zo belangrijk als het koud houden. Materialen met zo'n schakelbare thermische geleidbaarheid zouden manieren mogelijk maken om geëlektrificeerde systemen veilig te houden, betrouwbaar en efficiënt, zelfs onder extreme omstandigheden." legt Andrew Alleyne uit, de directeur van de National Science Foundation (NSF) sponsorde het Engineering Research Center for Power Optimization of Electro-Thermal Systems (POETS) dat dit werk ondersteunde, en een professor in Mechanical Science and Engineering in Illinois.

"Het vermogen om de thermische eigenschappen van een polymeer snel te veranderen door blootstelling aan licht opent spannende nieuwe routes voor controle van thermisch transport en energieconversie op moleculair niveau, " voegde Nancy Sottos toe, een MatSE-professor in Illinois.

Deze bevinding is een treffend voorbeeld van hoe licht kan worden gebruikt om de thermische geleidbaarheid van polymeren te regelen. Een beter begrip van de fysieke relatie tussen thermische geleidbaarheid en macromoleculaire ordening zou ook helpen de grenzen van traditionele polymeren te verleggen.