Plast är utmärkta isolatorer, vilket innebär att de effektivt kan fånga värme - en kvalitet som kan vara en fördel i något som en kaffekoppshylsa. Men denna isolerande egenskap är mindre önskvärd i produkter som plasthöljen för bärbara datorer och mobiltelefoner, som kan överhettas, delvis för att beläggningarna fångar upp värmen som enheterna producerar.

Nu har ett team av ingenjörer på MIT utvecklat en termisk termisk ledare av polymer - ett plastmaterial som, dock kontraintuitivt, fungerar som värmeledare, leder bort värme istället för att isolera den. De nya polymererna, som är lätta och flexibla, kan leda 10 gånger så mycket värme som de flesta kommersiellt använda polymerer.

"Traditionella polymerer är både elektriskt och värmeisolerande. Upptäckten och utvecklingen av elektriskt ledande polymerer har lett till nya elektroniska applikationer som flexibla skärmar och bärbara biosensorer, "säger Yanfei Xu, en postdoc vid MIT:s avdelning för maskinteknik. "Vår polymer kan termiskt leda och avlägsna värme mycket mer effektivt. Vi tror att polymerer kan göras till nästa generations värmeledare för avancerade termiska hanteringstillämpningar, som ett självkylande alternativ till befintliga elektronikhöljen."

Xu och ett team av postdoktorer, studenter, och lärare, har publicerat sina resultat idag i Vetenskapens framsteg . Teamet inkluderar Xiaoxue Wang, som bidrog lika mycket till forskningen med Xu, tillsammans med Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, och Samuel Huberman; Zhang Jiang, fysiker vid Argonne National Laboratory; Karen Gleason, biträdande provost vid MIT och Alexander I. Michael Kasser professor i kemiteknik; och Gang Chen, chef för MIT:s institution för maskinteknik och Carl Richard Söderberg professor i kraftteknik.

Stretching spagetti

Om du skulle zooma in på mikrostrukturen hos en genomsnittlig polymer, det skulle inte vara svårt att se varför materialet fångar värmen så lätt. På mikroskopisk nivå, polymerer är gjorda av långa kedjor av monomerer, eller molekylära enheter, länkad ände till ände. Dessa kedjor är ofta trassliga i en spagettiliknande boll. Värmebärare har svårt att ta sig igenom denna oordnade röra och tenderar att fastna i de polymera morrarna och knutarna.

Och ändå, forskare har försökt att förvandla dessa naturliga värmeisolatorer till ledare. För elektronik, polymerer skulle erbjuda en unik kombination av egenskaper, eftersom de är lätta, flexibel, och kemiskt inert. Polymerer är också elektriskt isolerande, vilket betyder att de inte leder elektricitet, och kan därför användas för att förhindra att enheter som bärbara datorer och mobiltelefoner kortsluter i sina användares händer.

Flera grupper har konstruerat polymerledare de senaste åren, inklusive Chens grupp, som 2010 uppfann en metod för att skapa "ultradragna nanofibrer" från ett standardprov av polyeten. Tekniken sträckte det röriga, oordnade polymerer till ultratunna, beställda kedjor - ungefär som att reda ut en sträng med semesterljus. Chen fann att de resulterande kedjorna gjorde det möjligt för värme att lätt hoppa längs och genom materialet, och att polymeren ledde 300 gånger så mycket värme jämfört med vanlig plast.

Men den isolator-vända ledaren kunde bara avleda värme i en riktning, längs längden av varje polymerkedja. Värme kunde inte färdas mellan polymerkedjor, på grund av svaga Van der Waals krafter - ett fenomen som väsentligen lockar två eller flera molekyler nära varandra. Xu undrade om ett polymermaterial kunde göras för att sprida bort värme, åt alla håll.

Xu tänkte på den aktuella studien som ett försök att konstruera polymerer med hög värmeledningsförmåga, genom att samtidigt konstruera intramolekylära och intermolekylära krafter – en metod som hon hoppades skulle möjliggöra effektiv värmetransport längs och mellan polymerkedjor.

Teamet producerade till slut en värmeledande polymer känd som polytiofen, en typ av konjugerad polymer som vanligtvis används i många elektroniska enheter.

Tips om värme i alla riktningar

Xu, Chen, och medlemmar i Chens laboratorium samarbetade med Gleason och hennes labmedlemmar för att utveckla ett nytt sätt att konstruera en polymerledare med hjälp av oxidativ kemisk ångavsättning (oCVD), varvid två ångor leds in i en kammare och på ett substrat, där de interagerar och bildar en film. "Vår reaktion kunde skapa stela kedjor av polymerer, snarare än det vridna, spagettiliknande trådar i normala polymerer." säger Xu.

I detta fall, Wang flödade oxidationsmedlet in i en kammare, tillsammans med en ånga av monomerer - individuella molekylära enheter som, när det oxideras, bildas i de kedjor som kallas polymerer.

"Vi odlade polymererna på kisel/glasunderlag, på vilka oxidationsmedlet och monomererna adsorberas och reageras, utnyttja den unika självmönstrade tillväxtmekanismen för CVD-teknik, " säger Wang.

Wang producerade relativt storskaliga prover, var och en mäter 2 kvadratcentimeter - ungefär lika stor som ett tumavtryck.

"Eftersom detta prov används så allestädes närvarande, som i solceller, organiska fälteffekttransistorer, och organiska ljusemitterande dioder, om detta material kan göras för att vara värmeledande, det kan avleda värme i all organisk elektronik, " säger Xu.

Teamet mätte varje provs värmeledningsförmåga med hjälp av tidsdomänens termiska reflektans – en teknik där de skjuter en laser på materialet för att värma upp dess yta och sedan övervakar fallet i dess yttemperatur genom att mäta materialets reflektans när värmen sprider sig in i materialet. material.

"Den tidsmässiga profilen av sjunkande yttemperatur är relaterad till hastigheten för värmespridning, från vilken vi kunde beräkna den termiska konduktiviteten, "Säger Zhou.

I genomsnitt, polymerproven kunde leda värme med cirka 2 watt per meter per kelvin - cirka 10 gånger snabbare än vad konventionella polymerer kan uppnå. På Argonne National Laboratory, Jiang och Xu fann att polymerprover verkade nästan isotropa, eller uniform. Detta tyder på att materialets egenskaper, såsom dess värmeledningsförmåga, bör också vara nästan enhetlig. Efter detta resonemang, teamet förutspådde att materialet skulle leda värme lika bra i alla riktningar, öka dess värmeavledningspotential.

Går framåt, Teamet kommer att fortsätta att utforska den grundläggande fysiken bakom polymerledningsförmåga, samt sätt att göra det möjligt för materialet att användas i elektronik och andra produkter, såsom höljen för batterier, och filmer för kretskort.

"Vi kan direkt och konformt belägga detta material på kiselwafers och olika elektroniska enheter", säger Xu. "Om vi ​​kan förstå hur termisk transport [fungerar] i dessa oordnade strukturer, kanske vi också kan driva på för högre värmeledningsförmåga. Då kan vi hjälpa till att lösa detta utbredda överhettningsproblem, och ge bättre värmehantering."