Polymeren zijn meestal het materiaal bij uitstek voor thermische isolatie. Denk aan een siliconen ovenwant, of een piepschuim koffiekopje, beide vervaardigd uit polymeermaterialen die uitstekend zijn in het vasthouden van warmte.

Nu hebben MIT-ingenieurs het beeld van de standaard polymeerisolator omgedraaid, door dunne polymeerfilms te fabriceren die warmte geleiden - een vermogen dat normaal gesproken wordt geassocieerd met metalen. Bij experimenten, ze vonden de films, die dunner zijn dan plasticfolie, geleiden warmte beter dan veel metalen, inclusief staal en keramiek.

De resultaten van het team, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , kan de ontwikkeling van polymeerisolatoren als lichtgewicht, flexibel, en corrosiebestendige alternatieven voor traditionele metalen warmtegeleiders, voor toepassingen variërend van warmteafvoerende materialen in laptops en mobiele telefoons, tot koelelementen in auto's en koelkasten.

"We denken dat dit resultaat een stap is om het veld te stimuleren, " zegt Gang Chen, de Carl Richard Soderberg hoogleraar energietechniek aan het MIT, en een senior co-auteur op het papier. "Onze grotere visie is, deze eigenschappen van polymeren kunnen nieuwe toepassingen en misschien nieuwe industrieën creëren, en kan metalen vervangen als warmtewisselaars."

Chen's co-auteurs zijn onder meer hoofdauteur Yanfei Xu, samen met Daniël Kraemer, Bai-lied, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Migda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang, en Xiaobo Li van MIT, en Zhang Jiang van het Argonne National Laboratory.

In 2010, het team rapporteerde succes bij het vervaardigen van dunne vezels van polyethyleen die 300 keer meer warmtegeleidend waren dan normaal polyethyleen, en ongeveer net zo geleidend als de meeste metalen. hun resultaten, gepubliceerd in Nature Nanotechnology, trok de aandacht van verschillende industrieën, waaronder fabrikanten van warmtewisselaars, computer kernprocessors, en zelfs raceauto's.

Al snel werd duidelijk dat, om ervoor te zorgen dat polymeergeleiders voor elk van deze toepassingen werken, de materialen zouden moeten worden opgeschaald van ultradunne vezels (een enkele vezel gemeten op een honderdste van de diameter van een mensenhaar) tot beter hanteerbare films.

"We zeiden toen:in plaats van een enkele vezel, we kunnen proberen een blad te maken, " zegt Chen. "Het blijkt een zeer moeizaam proces te zijn geweest."

De onderzoekers moesten niet alleen een manier bedenken om warmtegeleidende platen van polymeer te fabriceren, maar ze moesten ook een apparaat op maat bouwen om de warmtegeleiding van het materiaal te testen, evenals het ontwikkelen van computercodes om afbeeldingen van de microscopische structuren van het materiaal te analyseren.

Uiteindelijk, het team was in staat om dunne films van geleidend polymeer te fabriceren, beginnend met een commercieel polyethyleenpoeder. Normaal gesproken, de microscopische structuur van polyethyleen en de meeste polymeren lijkt op een spaghetti-achtige wirwar van moleculaire ketens. Warmte heeft het moeilijk om door deze warrige puinhoop te stromen, wat de intrinsieke isolerende eigenschappen van een polymeer verklaart.

Xu en haar collega's zochten naar manieren om de moleculaire knopen van polyethyleen te ontwarren, om parallelle ketens te vormen waarlangs warmte beter kan geleiden. Om dit te doen, ze losten polyethyleenpoeder op in een oplossing die de opgerolde kettingen ertoe bracht uit te zetten en te ontwarren. Een op maat gemaakt stroomsysteem heeft de moleculaire ketens verder ontward, en spuug de oplossing uit op een met vloeistof-stikstof gekoelde plaat om een ​​dikke film te vormen, die vervolgens op een rol-naar-rol-trekmachine werd geplaatst die de film verwarmde en uitrekte totdat deze dunner was dan plasticfolie.

Het team bouwde vervolgens een apparaat om de warmtegeleiding van de film te testen. Terwijl de meeste polymeren warmte geleiden met ongeveer 0,1 tot 0,5 watt per meter per kelvin, Xu ontdekte dat de nieuwe polyethyleenfilm ongeveer 60 watt per meter per kelvin meet. (Diamant, het beste warmtegeleidende materiaal, komt rond 2 uur binnen, 000 watt per meter per kelvin, terwijl keramiek ongeveer 30 meet, en staal, rond de 15.) Het blijkt dat de film van het team is twee ordes van grootte meer warmtegeleidend dan de meeste polymeren, en ook meer geleidend dan staal en keramiek.

Om te begrijpen waarom deze gemanipuleerde polyethyleenfilms zo'n ongewoon hoge thermische geleidbaarheid hebben, het team voerde röntgenverstrooiingsexperimenten uit bij de Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy in het Argonne National Laboratory.

"Deze experimenten, in een van 's werelds helderste synchrotron-röntgenfaciliteiten, laat ons de nanoscopische details zien in de individuele vezels waaruit de uitgerekte film bestaat, "zegt Jiang.

Door de ultradunne films af te beelden, de onderzoekers merkten op dat de films die een betere warmtegeleiding vertoonden, bestonden uit nanovezels met minder willekeurig opgerolde kettingen, versus die in gewone polymeren, die lijken op verwarde spaghetti. Hun waarnemingen zouden onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van polymeermicrostructuren om warmte efficiënt te geleiden.

"Dit droomwerk is uiteindelijk uitgekomen, ' zegt Xu.

Vooruit gaan, de onderzoekers zoeken naar manieren om nog betere polymere warmtegeleiders te maken, door zowel het fabricageproces aan te passen als te experimenteren met verschillende soorten polymeren.

Zhou wijst erop dat de polyethyleenfilm van het team warmte alleen geleidt langs de lengte van de vezels waaruit de film bestaat. Zo'n unidirectionele warmtegeleider kan nuttig zijn bij het afvoeren van warmte in een bepaalde richting, in apparaten zoals laptops en andere elektronica. Maar idealiter hij zegt dat de film de warmte in elke richting effectiever moet afvoeren.

"Als we een isotroop polymeer hebben met een goede warmtegeleiding, dan kunnen we dit materiaal gemakkelijk mengen tot een composiet, en we kunnen mogelijk veel geleidende materialen vervangen, " Zegt Zhou. "Dus we onderzoeken een betere warmtegeleiding in alle drie de dimensies."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.