La plastica avanzata potrebbe inaugurare un più leggero, più economico, componenti del prodotto più efficienti dal punto di vista energetico, compresi quelli utilizzati nei veicoli, LED e computer, se solo fossero più bravi a dissipare il calore.

Una nuova tecnica in grado di modificare la struttura molecolare della plastica per aiutarla a dissipare il calore è un passo promettente in quella direzione.

Sviluppato da un team di ricercatori dell'Università del Michigan in scienze dei materiali e ingegneria meccanica e dettagliato in un nuovo studio pubblicato su Progressi scientifici , il processo è poco costoso e scalabile.

Il concetto può probabilmente essere adattato a una varietà di altre materie plastiche. Nelle prove preliminari, produceva un polimero termicamente conduttivo quanto il vetro, ancora molto meno dei metalli o della ceramica, ma sei volte meglio dissipare il calore rispetto allo stesso polimero senza trattamento.

"La plastica sta sostituendo i metalli e la ceramica in molti luoghi, ma sono così scarsi conduttori di calore che nessuno li considera nemmeno per applicazioni che richiedono una dissipazione efficiente del calore, "ha detto Jinsang Kim, Professore di scienza e ingegneria dei materiali U-M. "Stiamo lavorando per cambiarlo applicando l'ingegneria termica alla plastica in un modo che non è mai stato fatto prima".

Il processo è un importante allontanamento dagli approcci precedenti, che si sono concentrati sull'aggiunta di riempitivi metallici o ceramici alla plastica. Questo ha avuto un successo limitato; deve essere aggiunta una grande quantità di riempitivi, che è costoso e può modificare le proprietà della plastica in modi indesiderabili. Anziché, la nuova tecnica utilizza un processo che ingegnerizza la struttura del materiale stesso.

La plastica è composta da lunghe catene di molecole strettamente avvolte e aggrovigliate come una ciotola di spaghetti. Mentre il calore viaggia attraverso il materiale, deve viaggiare lungo e tra queste catene, un arduo, percorso tortuoso che ne impedisce il progresso.

Il team, che comprende anche il professore associato di ingegneria meccanica Kevin Pipe, Il ricercatore laureato in ingegneria meccanica Chen Li e lo studente laureato in scienze dei materiali e ingegneria Apoorv Shanker hanno utilizzato un processo chimico per espandere e raddrizzare le catene molecolari. Ciò ha fornito all'energia termica un percorso più diretto attraverso il materiale. Per realizzare questo, hanno iniziato con un tipico polimero, o plastica. Hanno prima sciolto il polimero in acqua, quindi aggiunti elettroliti alla soluzione per aumentarne il pH, rendendolo alcalino.

I singoli anelli della catena polimerica, chiamati monomeri, assumono una carica negativa, che li fa respingere a vicenda. Mentre si allargavano, dispiegano le strette spire della catena. Finalmente, la soluzione di acqua e polimero viene spruzzata su piastre utilizzando un comune processo industriale chiamato spin casting, che lo ricostituisce in un film plastico solido.

Le catene molecolari srotolate all'interno della plastica rendono più facile il passaggio del calore attraverso di essa. Il team ha anche scoperto che il processo ha un vantaggio secondario:irrigidisce le catene polimeriche e le aiuta a compattarsi insieme più strettamente, rendendoli ancora più termicamente conduttivi.

"Le molecole polimeriche conducono il calore vibrando, e una catena molecolare più rigida può vibrare più facilmente, "Ha detto Shanker. "Pensa a una corda di chitarra ben tesa rispetto a un pezzo di spago arrotolato in modo lasco. La corda della chitarra vibrerà quando pizzicata, il filo non lo farà. Le catene di molecole polimeriche si comportano in modo simile".

Pipe afferma che il lavoro può avere importanti conseguenze a causa del gran numero di applicazioni di polimeri in cui la temperatura è importante.

"I ricercatori hanno studiato a lungo i modi per modificare la struttura molecolare dei polimeri per ingegnerizzare la loro meccanica, proprietà ottiche o elettroniche, ma pochissimi studi hanno esaminato approcci di progettazione molecolare per ingegnerizzare le loro proprietà termiche, " Pipe ha detto. "Mentre il flusso di calore nei materiali è spesso un processo complesso, anche piccoli miglioramenti nella conduttività termica dei polimeri possono avere un grande impatto tecnologico."

Il team sta ora cercando di realizzare compositi che combinino la nuova tecnica con diverse altre strategie di dissipazione del calore per aumentare ulteriormente la conduttività termica. Stanno anche lavorando per applicare il concetto ad altri tipi di polimeri oltre a quelli utilizzati in questa ricerca. Un prodotto commerciale è probabilmente lontano diversi anni.

"Stiamo cercando di utilizzare solventi organici per applicare questa tecnica a polimeri non solubili in acqua, " ha detto Li. "Ma noi crediamo che il concetto di usare gli elettroliti per ingegnerizzare termicamente i polimeri sia un'idea versatile che si applicherà a molti altri materiali".

Lo studio è intitolato "Elevata conduttività termica nei polimeri amorfi ingegnerizzati elettrostaticamente".