Polymerer används för att utveckla olika material, som plast, nylon och gummi. I sin mest grundläggande form, de består av många identiska molekyler som är sammanfogade upprepade gånger, som en kedja. Konstruktionsmolekyler för att förenas på specifika sätt kan diktera egenskaperna hos den resulterande polymeren.

Med denna metod, Sheng Shen, en docent i maskinteknik vid Carnegie Mellon University, och hans forskargrupp skapade en termisk polymerregulator som snabbt kan förvandlas från en ledare till en isolator och tillbaka igen. När det är en konduktör, värme överförs snabbt. När det är en isolator, värme överförs mycket långsammare. Genom att växla mellan de två tillstånden, termoregulatorn kan styra sin egen temperatur, såväl som temperaturen i omgivningen, till exempel ett kylskåp eller en dator.

För att växla mellan hög till låg konduktivitet, själva strukturen hos polymeren måste förändras. Denna omvandling aktiveras enbart med värme. Polymeren börjar "med en högordnad kristallin struktur, " Sa Shen. "Men när du höjer temperaturen på polymerfibern till cirka 340 Kelvin, då ändras molekylstrukturen och blir sexkantig."

Fynden publicerades i Vetenskapens framsteg i en artikel med titeln "Högkontrast och reversibel polymer termisk regulator genom strukturell fasövergång."

Omvandlingen sker eftersom värmen riktar sig mot molekylbindningarna. "Bindningen av molekylerna blir ganska svag, " sa Shen. "Så segmenten kan rotera." Och när segmenten roterar, strukturen blir oordnad, kraftigt minska dess värmeledningsförmåga. Denna typ av övergång är känd som en fast-fast övergång; även om polymeren når temperaturer nära sin smältpunkt, det förblir en solid genom processen.

När man studerar polymerens omvandling, Shen koncentrerade sina data på hur dess konduktivitet förändrades. Han samlade också in data om andra fasövergångar så att han kunde jämföra förhållandena. "När du tittar på allt material vi har på jorden, konduktivitetsförändringen är, som mest, en faktor fyra, " säger Shen. "Här, vi har redan upptäckt ett nytt material som kan ha en konduktivitetsförändring på cirka 10."

Dessutom, den strukturella förändringen kan ske snabbt, inom ett område av 5 grader Kelvin. Den är också reversibel, vilket gör att den kan slås på och av som en strömbrytare. Den kan hantera mycket högre temperaturer än andra termiska regulatorer, förblir stabil upp till 560 grader Kelvin. Det är svårt att bryta ner, så det kan överleva många övergångar. Och eftersom det är värmebaserat, den använder inte lika många rörliga delar som typiska kylningsmetoder, gör det mycket mer effektivt.

Även om denna forskning har utforskats teoretiskt tidigare, Shens verk är första gången som det har visats experimentellt. Shen tror att polymeren kommer att ha verkliga tillämpningar. "Denna kontroll av värmeflödet på nanoskala öppnar upp för nya möjligheter som att utveckla omkopplingsbara termiska enheter, fast tillståndskylning, rensning av spillvärme, termiska kretsar och beräkningar, sa Shen.

Detta arbete bygger på tidigare forskning i Shens labb, där hans team utvecklade en polymer nanofiber som var stark, lättvikt, värmeledande, elektriskt isolerande och biokompatibla – allt med en bredd på mindre än 100 nanometer.