Spiderman har listat ut det.

Det är då ingen slump att när Sheng Shen berättar om sitt arbete med polymera nanofibrer jämför han det med en spindel som snurrar sitt nät.

"Precis som en spindel syntetiserar silke från proteinpolymer för att bilda en fiber med styrka som liknar höghållfast stål, polymerer kan spinnas och dras för att bilda höghållfasta material med exceptionellt hög värmeledningsförmåga, sa Shen, docent i maskinteknik vid Carnegie Mellon University.

Shen och hans team har utvecklat en polymer nanofiber som är stark, lättvikt, värmeledande, elektriskt isolerande, och biokompatibel. De åstadkom allt detta i en enda polymerfibersträng som mätte mindre än 100 nanometer.

Enligt Shen, den potentiella effekten av denna utveckling är enorm. Egenskaperna hos hans polymera nanofiber ger den tillämpning i flyg- och bilsystem, anläggnings- och byggnadsteknik, medicinska apparater, och robotik.

I sin enklaste form, polymerer är många identiska molekyler som sammanfogas om och om igen. Molekylerna skulle kunna sammanfogas i "enkla" kedjor eller mer komplicerade strukturer. Hur som helst, den resulterande polymeren har samma egenskaper som de molekyler som används för att skapa den. Detta betyder att en polymer kan vara klibbig, fast, smidig, eller vilket antal andra fysikaliska egenskaper som finns i dess molekyler.

Traditionellt, sa Shen, polymerer är "den allmänna materialplattformen (används) för att utveckla multifunktionella material, "inklusive plast, nylon, och gummin. Polymerer är lätta att bearbeta till relativt låga priser, men har sina nackdelar.

Prototypiska bulkpolymerer är ofta amorfa, vilket betyder att deras molekylkedjor är slumpmässigt lindade och saknar en definierad form och form. Denna brist på definition kan leda till minskad styrka, minskad värmeledningsförmåga, och ökade defekter som tomrum och molekylförvecklingar.

Utmaningen var att utveckla en polymer som är både ultrastark och värmeledande.

För Shen, platsen att göra detta var på nanonivå. På den här nivån – en miljarddels meter – kan Shen konstruera enskilda molekyler för att förenas på exakt det sätt han vill att de ska gå ihop.

"På nanoskala, polymerkedjorna blir mycket orienterade och defekter som lägre styrka och värmeledningsförmåga kan elimineras, " sa Shen.

Den resulterande polymernanofibern har en Young's Modulus (måttet på styvheten hos ett fast material) och en styrka som Shen sa är 300 gånger större än bulkpolymerer.

När det gäller värmeledningsförmåga, Shen rapporterar att hans polymer nanofiber mäter en konduktivitetshastighet på 100 W/mK. I genomsnitt, stålets ledningsförmåga är 54 W/mK och järnhastigheten är 73 W/mK.

"Dessa nanofibrer ger en billig väg för att uppnå högeffektiv värmeavledning i elektroniska system, ", sa Shen. "De kan också vara biokompatibla värmespridare för att förbättra patientvården."

Hittills, Shen och hans team har testat enskilda nanofibrer. På grundval av resultaten från dessa tester, de har riktat sin uppmärksamhet mot att skapa ett innovativt tillverkningssätt som kommer att möjliggöra massproduktion av polymernanofibrerna.

Shen är övertygad om att han och hans team har uppfunnit en produkt som kommer att få praktiska och storskaliga effekter förr snarare än senare.

"Vi tror verkligen att detta är en spelförändrande teknik genom att omvandla polymerer från mjuka och värmeisolerande material till ultrastarka och värmeledande material, " sa Shen.

Ph.D. kandidat Ramesh Shrestha och Maarten de Boer, professor i maskinteknik, gjort betydande bidrag till denna forskning. Fynden publicerades i Naturkommunikation .