Полімери зазвичай є теплоізоляційними матеріалами. Згадайте про силіконову рукавичку або кавову чашку з пінополіуретану.
Інженери MIT змінили уявлення про полімери як тепло-ізолятори, виготовивши тонкі полімерні плівки, які проводять тепло. В своїх експериментах дослідники виявили, що тонкі структуровані плівки проводять тепло краще, ніж кераміка і багато металів, включаючи сталь.
Новий матеріал може замінити багато металів на легкі, гнучкі тепло-розподільники в автомобілях, холодильниках та електроніці.
Результати досліджень команди, опубліковані в журналі Nature Communications, можна використати в розробці полімерних радіаторів, які будуть легшими, гнучкими і більш корозійно-стійкими за металеві теплообмінники використовувані сьогодні в ноутбуках, мобільних телефонах, охолоджуючих елементах автомобілів та холодильників.
“Ми вважаємо, що результат нашої роботи є кроком для стимулювання нових інженерних розробок”, – говорить Ганг Чен, професор Карл Річард Содерберг з енергетики в Массачусетському технологічному інституті, а також старший співавтор. “Наше бачення полягає в тому, що ці властивості полімерів можуть створювати нові застосування і, можливо, нові галузі промисловості, вони можуть замінити метали як теплообмінники”.
Співавторами Чен є провідний автор Янфей Сюй, а також Даніель Крамер, Бай Сун, Цзявей Чжоу, Джеймс Луміс, Цзяньцзян Ванг, Мінда Лі, Хаді Гасемі, Сяопен Хуан, Сяобо Лі з МТІ, і Чжан Цзян з Національної лабораторії Аргонн.
У 2010 році команда повідомила про успіх у виробництві тонких волокон з поліетилену, які виявилися в 300 разів більш теплопровідними, ніж звичайний поліетилен, теплопровідність цих волокон поліетилену досягала теплопровідності металів. Їх результати, опубліковані в журналі Nature Nanotechnology , привернули увагу різних галузей промисловості, у тому числі виробників теплообмінників, мікропроцесорів і навіть гоночних автомобілів.
Незабаром з’ясувалося, що для того, щоб полімерні провідники працювали для будь-якого з застосувань, матеріали повинні були б бути розширені від ультра тонких волокон (одне волокно в 100 разів тонше за людського волосся) до плівок набагато більшого розміру.
“Тоді ми сказали, що можемо зробити полімерні листи з надвисокою теплопровідністю”, говорить Чень. “Процес досягнення цієї мети виявився набагато складнішим”. Дослідникам не тільки довелося вигадати спосіб виготовлення теплопровідних листів полімеру, але вони також повинні були побудувати апарат для перевірки теплопровідності матеріалу, а також розробити комп’ютерні коди для аналізу зображень мікроструктури матеріалу.
Зрештою, команда змогла виготовити тонкі плівки теплопровідного полімеру, сировиною для яких став комерційний порошок поліетилену.
Мікроскопічна структура поліетилену і більшості полімерів нагадує спагеті-подібний клубок молекулярних ланцюгів. Тепло протікає через цей переплутаний безлад достатньо тривалий час, що пояснює тепло-ізоляційні властивості полімеру. Сюй з колегами шукали способи розв’язати молекулярні вузли поліетилену, щоб утворити паралельні ланцюги, по яких буде передаватися тепло набагато краще. Для цього вони розчиняли порошок поліетилену в розчині, що сприяло розкручуванню ланцюгів. Спеціально побудована струмінева система додатково розплутує молекулярні ланцюги і розбризкує розчин на пластини охолоджені рідким азотом, щоб сформувати товсту плівку. Після цього, отримана товста плівка піддавалась розтягненню при нагріванні до стану дуже тонкої плівки.
Більшість полімерів проводить тепло при температурі від 0,1 до 0,5 ват на метр на кельвін. Нова поліетиленова плівка має теплопровідність 60 ват на метр на кельвін. (Наприклад, алмаз, найкращий теплопровідний матеріал, має теплопровідність на рівні близько 2000 Вт на метр на кельвін; кераміка – близько 30, а сталь – близько 15). Як виявилося, нові полімерні плівки на два порядки (сотні разів) більш теплопровіді ніж більшість полімерів, та в 2-4 рази більш теплопровідні ніж кераміка та сталь.
Щоб зрозуміти, чому ці плівки з поліетилену мають таку незвично високу теплопровідність, команда провела експерименти з розсіюванням рентгенівського випромінювання в розширеному джерелі фотонів (APS) в Національній лабораторії Аргонн (Міністерство енергетики США ). “Ці експерименти в одному з найяскравіших у світі рентгенівських об’єктів синхротронів дозволяють побачити наноскопічні деталі в межах окремих волокон, які складають натягнуту плівку”, – каже Цзян.
Досліджуючи ультратонкі плівки, дослідники спостерігали, що плівки, які демонструють кращу теплопровідність, складалися з нановолокна з більш впорядкованими спіральними ланцюгами, порівняно з тими, які спостерігаються у звичайних полімерах і нагадують заплутані спагетті. Дослідження нано структури полімерних плівок могли б допомогти дослідникам розробити полімерні мікроструктури для більш ефективного проведення тепла.
“Ця робота мрії збулася в кінці кінців”, – каже Сюй.
У майбутньому дослідники шукатимуть способи зробити ще кращі теплопровідники з полімеру, шляхом регулювання процесу виготовлення і експериментів з різними типами полімерів. Чжоу зазначає, що поліетиленова плівка розроблена дослідниками проводить тепло тільки по довжині волокон, що складають плівку. Такий односпрямований теплопровідник може бути корисний при відведенні тепла в заданому напрямку, всередині пристроїв, таких як ноутбуки та інша електроніка. Але в майбутньому, плівки будуть більш ефективно розсіювати тепло в будь-якому напрямку.
“Якщо у нас є ізотропний теплопровідний полімер, то ми можемо легко змішати цей матеріал у композит, і ми потенційно можемо замінити багато теплопровідних матеріалів”, – каже Чжоу. “Таким чином, ми намагаємося створити кращу теплопровідність у всіх трьох вимірах”.