Polymerer är vanligtvis det bästa materialet för värmeisolering. Tänk på en ugnsvante i silikon, eller en kaffekopp i frigolit, båda tillverkade av polymermaterial som är utmärkta på att fånga värme.

Nu har MIT-ingenjörer vänt bilden av standardpolymerisolatorn, genom att tillverka tunna polymerfilmer som leder värme – en förmåga som normalt förknippas med metaller. I experiment, de hittade filmerna, som är tunnare än plastfolie, leder värme bättre än många metaller, inklusive stål och keramik.

Teamets resultat, publiceras i tidskriften Naturkommunikation , kan stimulera utvecklingen av polymerisolatorer som är lätta, flexibel, och korrosionsbeständiga alternativ till traditionella metallvärmeledare, för applikationer som sträcker sig från värmeavledande material i bärbara datorer och mobiltelefoner, till kylelement i bilar och kylskåp.

"Vi tror att det här resultatet är ett steg för att stimulera fältet, säger Gang Chen, Carl Richard Söderberg professor i kraftteknik vid MIT, och en senior medförfattare på tidningen. "Vår större vision är, dessa egenskaper hos polymerer kan skapa nya tillämpningar och kanske nya industrier, och kan ersätta metaller som värmeväxlare."

Chens medförfattare inkluderar huvudförfattaren Yanfei Xu, tillsammans med Daniel Kraemer, Bai Song, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Migda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang, och Xiaobo Li från MIT, och Zhang Jiang från Argonne National Laboratory.

2010, teamet rapporterade framgång med att tillverka tunna fibrer av polyeten som var 300 gånger mer värmeledande än vanlig polyeten, och ungefär lika ledande som de flesta metaller. Deras resultat, publicerad i Nature Nanotechnology, uppmärksammat olika branscher, inklusive tillverkare av värmeväxlare, datorkärnprocessorer, och även racerbilar.

Det stod snart klart att för att polymerledare ska fungera för någon av dessa applikationer, materialen skulle behöva skalas upp från ultratunna fibrer (en enda fiber mätt en hundradel av diametern på ett människohår) till mer hanterbara filmer.

"Vid den tiden sa vi, snarare än en enda fiber, vi kan försöka göra ett ark, " säger Chen. "Det visar sig att det var en mycket mödosam process."

Forskarna behövde inte bara komma på ett sätt att tillverka värmeledande ark av polymer, men de var också tvungna att skräddarsy en apparat för att testa materialets värmeledning, samt utveckla datorkoder för att analysera bilder av materialets mikroskopiska strukturer.

I slutet, teamet kunde tillverka tunna filmer av ledande polymer, börjar med ett kommersiellt polyetenpulver. I vanliga fall, den mikroskopiska strukturen hos polyeten och de flesta polymerer liknar en spagettiliknande härva av molekylkedjor. Värmen har svårt att flöda genom denna röriga röra, vilket förklarar en polymers inneboende isolerande egenskaper.

Xu och hennes kollegor letade efter sätt att reda ut polyetens molekylära knutar, att bilda parallella kedjor längs vilka värme bättre kan leda. Att göra detta, de löste polyetenpulver i en lösning som fick de lindade kedjorna att expandera och lösa upp. Ett specialbyggt flödessystem löste molekylkedjorna ytterligare, och spotta ut lösningen på en flytande kvävekyld platta för att bilda en tjock film, som sedan placerades på en rulle-till-rulle-ritmaskin som värmde och sträckte filmen tills den var tunnare än plastfolie.

Teamet byggde sedan en apparat för att testa filmens värmeledning. Medan de flesta polymerer leder värme med cirka 0,1 till 0,5 watt per meter per kelvin, Xu hittade den nya polyetenfilmen mätt runt 60 watt per meter per kelvin. (Diamant, det bästa värmeledande materialet, kommer in runt 2, 000 watt per meter per kelvin, medan keramik mäter cirka 30, och stål, runt 15.) Som det visar sig, lagets film är två storleksordningar mer termiskt ledande än de flesta polymerer, och även mer ledande än stål och keramik.

För att förstå varför dessa konstruerade polyetenfilmer har en så ovanligt hög värmeledningsförmåga, teamet genomförde röntgenspridningsexperiment vid U.S. Department of Energy's Advanced Photon Source (APS) vid Argonne National Laboratory.

"Dessa experiment, vid en av världens mest ljusstarka synkrotronröntgenanläggningar, låt oss se de nanoskopiska detaljerna i de individuella fibrerna som utgör den sträckta filmen, säger Jiang.

Genom att avbilda de ultratunna filmerna, forskarna observerade att filmerna som uppvisade bättre värmeledning bestod av nanofibrer med mindre slumpmässigt lindade kedjor, jämfört med de i vanliga polymerer, som liknar trasslig spagetti. Deras observationer kan hjälpa forskare att konstruera polymermikrostrukturer för att effektivt leda värme.

"Det här drömarbetet blev verklighet till slut, " säger Xu.

Går framåt, forskarna letar efter sätt att göra ännu bättre polymervärmeledare, genom att både anpassa tillverkningsprocessen och experimentera med olika typer av polymerer.

Zhou påpekar att lagets polyetenfilm leder värme endast längs längden av fibrerna som utgör filmen. En sådan enkelriktad värmeledare kan vara användbar för att föra bort värme i en specificerad riktning, inuti enheter som bärbara datorer och annan elektronik. Men helst, han säger att filmen borde avleda värmen mer effektivt i alla riktningar.

"Om vi ​​har en isotrop polymer med god värmeledningsförmåga, då kan vi enkelt blanda detta material till en komposit, och vi kan potentiellt ersätta många ledande material, " säger Zhou. "Så vi undersöker bättre värmeledning i alla tre dimensionerna."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.