Polymerer används regelbundet som värmeisolatorer för allt från att hålla drycker varma till att hålla känslig elektronik sval. I vissa fall, polymerer kan till och med användas som värmeledare för att möjliggöra effektiv uppvärmning eller kylning.

I en ny studie, Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har designat och demonstrerat en ny typ av polymer som visar en omkopplingsbar värmeledningsförmåga styrd av ljus. Materialet har potential att leda värmeledningen vid behov och möjliggöra nya, smartare, sätt att hantera värme.

Fynden redovisas i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"Polymerer används flitigt i tekniska system, men dessa material har nästan alltid ansetts vara termiskt statiska. Upptäckten av polymerer som kan triggas optiskt för att snabbt växla mellan termiskt ledande och isolerande tillstånd kommer att öppna upp helt nya möjligheter inom värmeteknik, " förklarade Paul Braun, en professor i materialvetenskap och teknik (MatSE) och chef för Illinois Materials Research Laboratory.

"Som vi förstår det, detta är den första observationen av en ljusutlöst reversibel kristall-vätskeövergång i något polymermaterial. Det särskilt anmärkningsvärda fyndet i denna studie är den snabba, reversibel trefaldig förändring av värmeledningsförmågan i samband med fasövergången, " förklarade Jungwoo Shin, en MatSE Ph.D. student i Illinois.

Den termiska switchade polymeren som utvecklats av forskargruppen i Illinois visar en kraftfull kontroll av en polymers termofysiska egenskaper som svar på ljus. Denna förmåga härrör från en foto-responsiv molekyl, azobensen, som kan exciteras optiskt av ultraviolett (UV) och synligt ljus.

"Vi syntetiserade en komplex polymer funktionaliserad med ljuskänsliga azobensengrupper. Genom att belysa med UV och synligt ljus, vi skulle kunna ändra formen på azobensengruppen, modulera bindningshållfasthet mellan kedjor och driva en reversibel övergång mellan kristall och vätska, sa Jaeuk Sung, en MatSE Ph.D. student vid Illinois.

För att fånga de termiska konduktivitetsövergångarna för azobensenpolymerer under ljusbelysning, Illinois-forskargruppen använde en teknik som kallas tidsdomän termoreflektans (TDTR) utvecklad av David Cahill, en MatSE-professor i Illinois.

"Sättet värme transporteras i polymer är relaterat till spridningen av vibrationslägen. I ordnade kristaller, dessa vibrationslägen färdas mycket längre än vad som observeras i oordnade vätskor. Som ett resultat, en extrem förändring i polymerens molekylära ordning kan avsevärt förändra den termiska konduktiviteten, " sa David Cahill.

Denna extrema förändring i makromolekylär ordning, t.ex., kristall-till-vätska, är sällsynt i naturen, och har inte rapporterats tidigare för något polymersystem som svar på ljus. Således, Att reda ut mekanismen för den ljusutlösta fasövergången var avgörande för att förstå polymerens unika beteende.

"Vi kunde observera att vid ljusexponering, detta material växlar snabbt från ett tillstånd till ett annat med dramatiskt distinkta värmetransportegenskaper. Vi använde synkrotronbaserad röntgenspridning för att belysa strukturen associerad med varje tillstånd under transformationen, stänger syntes-karakterisering-funktion-loopen för denna sofistikerade polymer, " lade Cecilia Leal till, en MatSE -professor vid Illinois.

"Att hålla en elektrisk enhet varm är lika viktigt som att hålla den kall. Material med sådan omkopplingsbar värmeledningsförmåga skulle möjliggöra sätt att hålla elektrifierade system säkra, pålitlig och effektiv även under extrema förhållanden. "förklarade Andrew Alleyne, chefen för National Science Foundation (NSF) sponsrade Engineering Research Center for Power Optimization of Electro-Thermal Systems (POETS) som stödde detta arbete, och en professor i mekanisk vetenskap och teknik vid Illinois.

"Förmågan att snabbt ändra de termiska egenskaperna hos en polymer genom exponering för ljus öppnar nya spännande vägar för kontroll av termisk transport och energiomvandling på molekylär nivå, " lade Nancy Sottos till, en MatSE-professor i Illinois.

Detta fynd ger ett slående exempel på hur ljus kan användas för att kontrollera polymerernas värmeledningsförmåga. En bättre förståelse av det fysiska förhållandet mellan värmeledningsförmåga och makromolekylär ordning skulle också hjälpa till att tänja på gränserna för traditionella polymerer.