Le materie plastiche sono ottimi isolanti, il che significa che possono intrappolare efficacemente il calore, una qualità che può essere un vantaggio in qualcosa come una custodia per tazza di caffè. Ma questa proprietà isolante è meno desiderabile in prodotti come involucri in plastica per laptop e telefoni cellulari, che può surriscaldarsi, in parte perché i rivestimenti intrappolano il calore prodotto dai dispositivi.

Ora un team di ingegneri del MIT ha sviluppato un conduttore termico polimerico, un materiale plastico che, per quanto controintuitivo, funziona come conduttore di calore, dissipare il calore anziché isolarlo. I nuovi polimeri, che sono leggeri e flessibili, può condurre 10 volte più calore della maggior parte dei polimeri utilizzati in commercio.

"I polimeri tradizionali sono sia elettricamente che termicamente isolanti. La scoperta e lo sviluppo di polimeri elettricamente conduttivi ha portato a nuove applicazioni elettroniche come display flessibili e biosensori indossabili, "dice Yanfei Xu, un postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "Il nostro polimero può condurre termicamente e rimuovere il calore in modo molto più efficiente. Riteniamo che i polimeri potrebbero essere trasformati in conduttori di calore di prossima generazione per applicazioni avanzate di gestione termica, come un'alternativa auto-raffreddante agli involucri elettronici esistenti."

Xu e un team di postdoc, studenti laureati, e facoltà, hanno pubblicato i loro risultati oggi in Progressi scientifici . Il team include Xiaoxue Wang, che hanno contribuito in egual modo alla ricerca con Xu, insieme a Jiawei Zhou, Bai canzone, Elisabetta Lee, e Samuel Huberman; Zhang Jiang, fisico all'Argonne National Laboratory; Karen Gleason, rettore associato del MIT e professore di ingegneria chimica Alexander I. Michael Kasser; e Gang Chen, capo del dipartimento di ingegneria meccanica del MIT e professore di ingegneria energetica Carl Richard Soderberg.

Allungare gli spaghetti

Se dovessi ingrandire la microstruttura di un polimero medio, non sarebbe difficile capire perché il materiale trattiene il calore così facilmente. A livello microscopico, i polimeri sono costituiti da lunghe catene di monomeri, o unità molecolari, collegato da un capo all'altro. Queste catene sono spesso aggrovigliate in una palla a forma di spaghetti. I portatori di calore hanno difficoltà a muoversi attraverso questo disordine disordinato e tendono a rimanere intrappolati all'interno dei ringhi e dei nodi polimerici.

E ancora, i ricercatori hanno tentato di trasformare questi isolanti termici naturali in conduttori. Per l'elettronica, i polimeri offrirebbero una combinazione unica di proprietà, visto che sono leggeri, flessibile, e chimicamente inerte. I polimeri sono anche elettricamente isolanti, nel senso che non conducono elettricità, e può quindi essere utilizzato per evitare che dispositivi come laptop e telefoni cellulari vadano in cortocircuito nelle mani degli utenti.

Diversi gruppi hanno progettato conduttori polimerici negli ultimi anni, compreso il gruppo di Chen, che nel 2010 ha inventato un metodo per creare "nanofibre ultratrafilate" da un campione standard di polietilene. La tecnica allungava il disordinato, polimeri disordinati in ultrasottili, catene ordinate, proprio come districare una serie di luci natalizie. Chen ha scoperto che le catene risultanti consentivano al calore di saltare facilmente lungo e attraverso il materiale, e che il polimero ha condotto una quantità di calore 300 volte superiore rispetto alla plastica ordinaria.

Ma l'isolante trasformato in conduttore potrebbe dissipare il calore solo in una direzione, lungo la lunghezza di ciascuna catena polimerica. Il calore non può viaggiare tra le catene polimeriche, a causa delle deboli forze di Van der Waals, un fenomeno che essenzialmente attrae due o più molecole vicine l'una all'altra. Xu si chiedeva se fosse possibile creare un materiale polimerico per disperdere il calore, in tutte le direzioni.

Xu ha concepito l'attuale studio come un tentativo di ingegnerizzare polimeri con elevata conducibilità termica, progettando contemporaneamente forze intramolecolari e intermolecolari, un metodo che sperava avrebbe consentito un efficiente trasporto di calore lungo e tra le catene polimeriche.

Il team ha infine prodotto un polimero termoconduttore noto come politiofene, un tipo di polimero coniugato comunemente usato in molti dispositivi elettronici.

Accenni di calore in tutte le direzioni

Xu, Chen, e i membri del laboratorio di Chen hanno collaborato con Gleason e i suoi membri del laboratorio per sviluppare un nuovo modo di progettare un conduttore polimerico utilizzando la deposizione chimica da vapore ossidativo (oCVD), per cui due vapori sono diretti in una camera e su un substrato, dove interagiscono e formano un film. "La nostra reazione è stata in grado di creare catene rigide di polimeri, piuttosto che il contorto, filamenti simili a spaghetti in normali polimeri." dice Xu.

In questo caso, Wang fece scorrere l'ossidante in una camera, insieme a un vapore di monomeri - singole unità molecolari che, quando ossidato, formare nelle catene note come polimeri.

"Abbiamo coltivato i polimeri su substrati di silicio/vetro, su cui vengono adsorbiti e reagiti l'ossidante e i monomeri, sfruttando l'esclusivo meccanismo di crescita auto-modellato della tecnologia CVD, " dice Wang.

Wang ha prodotto campioni su larga scala, ciascuno misura 2 centimetri quadrati, circa le dimensioni di un'impronta digitale.

"Poiché questo campione è usato così ubiquitariamente, come nelle celle solari, transistor organici ad effetto di campo, e diodi organici a emissione di luce, se questo materiale può essere reso termicamente conduttivo, può dissipare il calore in tutta l'elettronica organica, " dice Xu.

Il team ha misurato la conduttività termica di ciascun campione utilizzando la riflettanza termica nel dominio del tempo, una tecnica in cui sparano un laser sul materiale per riscaldarne la superficie e quindi monitorano il calo della sua temperatura superficiale misurando la riflettanza del materiale mentre il calore si diffonde nel Materiale.

"Il profilo temporale del decadimento della temperatura superficiale è correlato alla velocità di diffusione del calore, da cui siamo stati in grado di calcolare la conducibilità termica, " dice Zhou.

In media, i campioni di polimero sono stati in grado di condurre il calore a circa 2 watt per metro per kelvin, circa 10 volte più velocemente di quanto possono ottenere i polimeri convenzionali. Al Laboratorio Nazionale Argonne, Jiang e Xu hanno scoperto che i campioni di polimero sembravano quasi isotropi, o uniforme. Ciò suggerisce che le proprietà del materiale, come la sua conduttività termica, dovrebbe anche essere quasi uniforme. Seguendo questo ragionamento, il team ha previsto che il materiale dovrebbe condurre il calore ugualmente bene in tutte le direzioni, aumentando il suo potenziale di dissipazione del calore.

Andando avanti, il team continuerà a esplorare la fisica fondamentale alla base della conduttività dei polimeri, nonché i modi per consentire l'utilizzo del materiale nell'elettronica e in altri prodotti, come involucri per batterie, e pellicole per circuiti stampati.

"Possiamo rivestire direttamente e in modo conforme questo materiale su wafer di silicio e diversi dispositivi elettronici", afferma Xu. "Se riusciamo a capire come funziona il trasporto termico in queste strutture disordinate, forse possiamo anche spingere per una maggiore conduttività termica. Allora possiamo aiutare a risolvere questo diffuso problema di surriscaldamento, e fornire una migliore gestione termica."