Avancerad plast kan inleda lättare, billigare, mer energieffektiva produktkomponenter, inklusive de som används i fordon, Lysdioder och datorer - om de bara var bättre på att sprida värme.

En ny teknik som kan förändra plastens molekylära struktur för att hjälpa den att avleda värme är ett lovande steg i den riktningen.

Utvecklat av ett team av University of Michigan -forskare inom materialvetenskap och maskinteknik och detaljerat i en ny studie publicerad i Vetenskapliga framsteg , processen är billig och skalbar.

Konceptet kan troligen anpassas till en mängd andra plaster. I preliminära tester, den gjorde en polymer ungefär lika värmeledande som glas - fortfarande mycket mindre än metaller eller keramik, men sex gånger bättre på att sprida värme än samma polymer utan behandling.

"Plast ersätter metaller och keramik på många ställen, men de är så dåliga värmeledare att ingen ens överväger dem för applikationer som kräver värme för att avledas effektivt, "sa Jinsang Kim, U-M materialvetenskap och ingenjörsprofessor. "Vi arbetar med att ändra det genom att tillämpa termisk teknik på plast på ett sätt som inte har gjorts tidigare."

Processen är en stor avvikelse från tidigare tillvägagångssätt, som har fokuserat på att tillsätta metalliska eller keramiska fyllmedel till plast. Detta har mötts med begränsad framgång; en stor mängd fyllmedel måste tillsättas, vilket är dyrt och kan förändra plastens egenskaper på oönskade sätt. Istället, den nya tekniken använder en process som konstruerar själva materialets struktur.

Plast är gjord av långa kedjor av molekyler som är tätt lindade och trassliga som en skål med spagetti. När värme färdas genom materialet, den måste resa längs och mellan dessa kedjor - en mödosam, rondell resa som hindrar dess framsteg.

Teamet-som också inkluderar U-M docent i maskinteknik Kevin Pipe, forskaren Chen Li i maskinteknik och doktoranden i materialvetenskap och ingenjör Apoorv Shanker – använde en kemisk process för att expandera och räta ut molekylkedjorna. Detta gav värmeenergi en mer direkt väg genom materialet. För att åstadkomma detta, de började med en typisk polymer, eller plast. De löste först polymeren i vatten, tillsatte sedan elektrolyter till lösningen för att höja dess pH, gör den alkalisk.

De enskilda länkarna i polymerkedjan - så kallade monomerer - tar på sig en negativ laddning, vilket får dem att stöta bort varandra. När de spreds isär, de vecklar ut kedjans täta spolar. Till sist, vatten- och polymerlösningen sprutas på plattor med en vanlig industriell process som kallas spinngjutning, som rekonstituerar den till en fast plastfilm.

De upprullade molekylkedjorna i plasten gör det lättare för värme att färdas genom den. Teamet fann också att processen har en sekundär fördel - den förstärker polymerkedjorna och hjälper dem att packa ihop tätare, vilket gör dem ännu mer värmeledande.

"Polymermolekyler leder värme genom att vibrera, och en styvare molekylkedja kan lättare vibrera, ", sa Shanker. "Tänk på en hårt sträckt gitarrsträng jämfört med ett löst ihoprullat stycke garn. Gitarrsträngen vibrerar när den plockas, garnet kommer inte. Polymermolekylkedjor beter sig på liknande sätt. "

Pipe säger att arbetet kan få viktiga konsekvenser på grund av det stora antalet polymerapplikationer där temperaturen är viktig.

"Forskare har länge studerat sätt att modifiera polymerernas molekylstruktur för att konstruera deras mekaniska, optiska eller elektroniska egenskaper, men väldigt få studier har undersökt metoder för molekylär design för att konstruera deras termiska egenskaper, "Pipe sa." Även om värmeflöde i material ofta är en komplex process, även små förbättringar av polymerernas värmeledningsförmåga kan ha en stor teknisk inverkan."

Teamet tittar nu på att göra kompositer som kombinerar den nya tekniken med flera andra värmeavledande strategier för att ytterligare öka värmeledningsförmågan. De arbetar också med att tillämpa konceptet på andra typer av polymerer utöver dem som används i denna forskning. En kommersiell produkt är sannolikt flera år bort.

"Vi tittar på att använda organiska lösningsmedel för att tillämpa denna teknik på icke vattenlösliga polymerer, " Sa Li. "Men vi tror att konceptet med att använda elektrolyter för att termiskt konstruera polymerer är en mångsidig idé som kommer att gälla för många andra material."

Studien har titeln "Hög värmeledningsförmåga i elektrostatiskt konstruerade amorfa polymerer."