Polymeren worden gebruikt om verschillende materialen te ontwikkelen, zoals kunststoffen, nylon en rubber. In hun meest basale vorm, ze bestaan ​​uit veel identieke moleculen die herhaaldelijk met elkaar zijn verbonden, als een ketting. Technische moleculen om op specifieke manieren samen te voegen, kunnen de kenmerken van het resulterende polymeer dicteren.

Met behulp van deze methode, Sheng-Shen, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University, en zijn onderzoeksteam creëerden een thermische regelaar van polymeer die snel kan transformeren van een geleider naar een isolator en weer terug. Als het een dirigent is, warmteoverdracht snel. Als het een isolator is, warmteoverdracht veel langzamer. Door te schakelen tussen de twee toestanden, de thermische regelaar kan zijn eigen temperatuur regelen, evenals de temperatuur van de omgeving, zoals een koelkast of computer.

Om te schakelen tussen hoge naar lage geleidbaarheid, de structuur van het polymeer moet veranderen. Deze transformatie wordt uitsluitend met warmte geactiveerd. Het polymeer begint "met een sterk geordende kristallijne structuur, Shen zei. "Maar zodra je de temperatuur van de polymeervezel verhoogt tot ongeveer 340 Kelvin, dan verandert de moleculaire structuur en wordt hexagonaal."

De bevindingen zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang in een paper getiteld "High-Contrast and Reversible Polymer Thermal Regulator by Structural Phase Transition."

De transformatie vindt plaats omdat de warmte zich richt op de moleculaire bindingen. "De binding van de moleculen wordt behoorlijk zwak, "Zei Shen. "Dus de segmenten kunnen roteren." En zodra de segmenten draaien, de structuur raakt ontregeld, sterk verminderen van de thermische geleidbaarheid. Dit type overgang staat bekend als een solide-vaste overgang; hoewel het polymeer temperaturen bereikt die dicht bij het smeltpunt liggen, het blijft een solide door het proces.

Bij het bestuderen van de transformatie van het polymeer, Shen concentreerde zijn gegevens op hoe de geleidbaarheid veranderde. Hij verzamelde ook gegevens over andere faseovergangen, zodat hij de verhoudingen kon vergelijken. "Als je kijkt naar alle materialen die we op aarde hebben, de geleidbaarheidsverandering is, hoogstens, een factor vier, "zegt Shen. "Hier, we hebben al een nieuw materiaal ontdekt dat een geleidbaarheidsverandering van ongeveer 10 kan hebben."

Aanvullend, de structurele verandering kan snel gebeuren, binnen een bereik van 5 graden Kelvin. Het is ook omkeerbaar, waardoor het als een schakelaar kan worden in- en uitgeschakeld. Het kan veel hogere temperaturen aan dan andere thermische regelaars, stabiel blijven tot 560 graden Kelvin. Het is moeilijk om af te breken, zodat het vele overgangen kan overleven. En omdat het op warmte is gebaseerd, het gebruikt niet zoveel bewegende delen als typische koelmethoden, waardoor het veel efficiënter gaat.

Hoewel dit onderzoek in het verleden theoretisch is onderzocht, Het werk van Shen is de eerste keer dat het experimenteel wordt getoond. Shen gelooft dat het polymeer in de echte wereld zal worden toegepast. "Deze controle van de warmtestroom op nanoschaal opent nieuwe mogelijkheden, zoals het ontwikkelen van schakelbare thermische apparaten, koeling in vaste toestand, afvalwarmte wegvangen, thermische circuits en computergebruik, " zei Sheen.

Dit werk bouwt voort op eerder onderzoek in het laboratorium van Shen, waar zijn team een ​​polymeer nanovezel ontwikkelde die sterk was, lichtgewicht, thermisch geleidend, elektrisch isolerend en biocompatibel - allemaal met een breedte van minder dan 100 nanometer.