I polimeri vengono regolarmente utilizzati come isolanti termici per tutto, dal mantenere calde le bevande al raffreddare i dispositivi elettronici sensibili. In alcuni casi, i polimeri possono anche essere utilizzati come conduttori termici per consentire un riscaldamento o raffreddamento efficiente.

In un nuovo studio, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno progettato e dimostrato un nuovo tipo di polimero che dimostra una conduttività termica commutabile controllata dalla luce. Il materiale ha il potenziale per instradare la conduzione del calore su richiesta e consentire nuovi, più intelligente, modi per gestire il calore.

I risultati sono riportati in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"I polimeri sono ampiamente utilizzati nei sistemi ingegnerizzati, ma questi materiali sono stati quasi sempre considerati termicamente statici. La scoperta di polimeri che possono essere attivati ​​otticamente per passare rapidamente dallo stato termicamente conduttivo a quello isolante aprirà opportunità completamente nuove nell'ingegneria termica, " ha spiegato Paul Braun, un professore di scienza e ingegneria dei materiali (MatSE) e direttore dell'Illinois Materials Research Laboratory.

"Al meglio delle nostre conoscenze, questa è la prima osservazione di una transizione cristallo-liquido reversibile innescata dalla luce in qualsiasi materiale polimerico. Il risultato particolarmente degno di nota in questo studio è il veloce, cambiamento reversibile di 3 volte nella conduttività termica associata alla transizione di fase, " ha spiegato Jungwoo Shin, un dottorato di ricerca MatSE studente all'Illinois.

Il polimero a commutazione termica sviluppato dal team di ricerca dell'Illinois dimostra un potente controllo delle proprietà termofisiche di un polimero in risposta alla luce. Questa capacità ha origine da una molecola foto-reattiva, azobenzene, che può essere eccitato otticamente dall'ultravioletto (UV) e dalla luce visibile.

"Abbiamo sintetizzato un polimero complesso funzionalizzato con gruppi azobenzene sensibili alla luce. Illuminando con luce UV e visibile, potremmo cambiare la forma del gruppo azobenzene, modulare la forza del legame intercatena e guidare una transizione reversibile tra cristallo e liquido, " ha detto Jaeuk Sung, un dottorato di ricerca MatSE studente all'Illinois.

Per catturare le transizioni di conducibilità termica dei polimeri di azobenzene sotto illuminazione leggera, il team di ricerca dell'Illinois ha utilizzato una tecnica chiamata termoriflettenza nel dominio del tempo (TDTR) sviluppata da David Cahill, un professore MatSE all'Illinois.

"Il modo in cui il calore viene trasportato nei polimeri è correlato alla diffusione dei modi vibrazionali. Nei cristalli ordinati, questi modi vibrazionali viaggiano molto più lontano di quanto si osserva nei liquidi disordinati. Di conseguenza, un cambiamento estremo nell'ordinamento molecolare del polimero può alterare significativamente la conduttività termica, "Davide Cahill ha detto.

Questo cambiamento estremo nell'ordinamento macromolecolare, per esempio., da cristallo a liquido, è raro in natura, e non è stato riportato in precedenza per nessun sistema polimerico in risposta alla luce. Così, svelare il meccanismo della transizione di fase innescata dalla luce è stato fondamentale per comprendere il comportamento unico del polimero.

"Potremmo osservare che, in caso di esposizione alla luce, questo materiale passa rapidamente da uno stato all'altro con proprietà di trasporto del calore notevolmente distinte. Abbiamo usato la diffusione dei raggi X basata sul sincrotrone per chiarire la struttura associata a ciascuno stato durante la trasformazione, chiudendo il ciclo di sintesi-caratterizzazione-funzione per questo sofisticato polimero, " ha aggiunto Cecilia Leal, un professore MatSE all'Illinois.

"Mantenere caldo un dispositivo elettrico è altrettanto importante quanto tenerlo freddo. I materiali con tale conduttività termica commutabile consentirebbero modi per mantenere sicuri i sistemi elettrificati, affidabile ed efficiente anche in condizioni estreme." ha spiegato Andrew Alleyne, il direttore della National Science Foundation (NSF) ha sponsorizzato l'Engineering Research Center for Power Optimization of Electro-Thermal Systems (POETS) che ha sostenuto questo lavoro, e professore di scienze meccaniche e ingegneria all'Illinois.

"La capacità di cambiare rapidamente le proprietà termiche di un polimero mediante l'esposizione alla luce apre nuove entusiasmanti vie per il controllo del trasporto termico e della conversione dell'energia a livello molecolare, " ha aggiunto Nancy Sottos, un professore MatSE all'Illinois.

Questa scoperta fornisce un esempio lampante di come la luce può essere utilizzata per controllare la conduttività termica dei polimeri. Una migliore comprensione della relazione fisica tra conduttività termica e ordinamento macromolecolare aiuterebbe anche a spingere i limiti dei polimeri tradizionali.