I polimeri sono solitamente il materiale ideale per l'isolamento termico. Pensa a un guanto da forno in silicone, o una tazza di caffè in polistirolo, entrambi realizzati con materiali polimerici che sono eccellenti nell'intrappolare il calore.

Ora gli ingegneri del MIT hanno capovolto l'immagine dell'isolante polimerico standard, fabbricando sottili film polimerici che conducono il calore, un'abilità normalmente associata ai metalli. Negli esperimenti, hanno trovato i film, che sono più sottili dell'involucro di plastica, conducono il calore meglio di molti metalli, compreso acciaio e ceramica.

I risultati della squadra, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , può stimolare lo sviluppo di isolanti polimerici come leggeri, flessibile, e alternative resistenti alla corrosione ai tradizionali conduttori di calore in metallo, per applicazioni che vanno dai materiali che dissipano il calore in laptop e telefoni cellulari, agli elementi di raffreddamento di automobili e frigoriferi.

"Pensiamo che questo risultato sia un passo per stimolare il campo, "dice Gang Chen, il professore Carl Richard Soderberg di ingegneria energetica al MIT, e un co-autore senior sul documento. "La nostra visione più grande è, queste proprietà dei polimeri possono creare nuove applicazioni e forse nuove industrie, e può sostituire i metalli come scambiatori di calore."

I coautori di Chen includono l'autore principale Yanfei Xu, insieme a Daniel Kraemer, Bai canzone, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Migda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang, e Xiaobo Li del MIT, e Zhang Jiang del Laboratorio Nazionale Argonne.

Nel 2010, il team ha riportato successo nella fabbricazione di sottili fibre di polietilene che erano 300 volte più conduttive termicamente del normale polietilene, e circa conduttivo come la maggior parte dei metalli. I loro risultati, pubblicato su Nature Nanotechnology, ha attirato l'attenzione di diversi settori, compresi i produttori di scambiatori di calore, processori di base del computer, e persino auto da corsa.

Divenne presto chiaro che, affinché i conduttori polimerici funzionino per una qualsiasi di queste applicazioni, i materiali dovrebbero essere scalati da fibre ultrasottili (una singola fibra misurata un centesimo del diametro di un capello umano) a film più maneggevoli.

"In quel momento abbiamo detto, piuttosto che una singola fibra, possiamo provare a fare un foglio, " Dice Chen. "Si scopre che è stato un processo molto arduo".

I ricercatori non solo hanno dovuto trovare un modo per fabbricare fogli di polimero termoconduttore, ma hanno anche dovuto costruire su misura un apparato per testare la conduzione del calore del materiale, così come sviluppare codici informatici per analizzare le immagini delle strutture microscopiche del materiale.

Alla fine, il team è stato in grado di fabbricare film sottili di polimero conduttore, iniziando con una polvere di polietilene commerciale. Normalmente, la struttura microscopica del polietilene e della maggior parte dei polimeri assomiglia a un groviglio di catene molecolari simile a uno spaghetti. Il calore ha difficoltà a fluire attraverso questo disordine confuso, il che spiega le proprietà isolanti intrinseche di un polimero.

Xu e i suoi colleghi hanno cercato modi per districare i nodi molecolari del polietilene, formare catene parallele lungo le quali il calore può condurre meglio. Per fare questo, hanno sciolto la polvere di polietilene in una soluzione che ha spinto le catene a spirale ad espandersi e districarsi. Un sistema di flusso su misura ha ulteriormente districato le catene molecolari, e sputare la soluzione su una piastra raffreddata ad azoto liquido per formare una pellicola spessa, che è stato poi posizionato su una trafilatrice roll-to-roll che ha riscaldato e allungato il film fino a renderlo più sottile dell'involucro di plastica.

Il team ha quindi costruito un apparato per testare la conduzione del calore del film. Mentre la maggior parte dei polimeri conduce il calore a circa 0,1-0,5 watt per metro per kelvin, Xu ha scoperto che il nuovo film di polietilene misurava circa 60 watt per metro per kelvin. (Diamante, il miglior materiale termoconduttore, arriva intorno alle 2, 000 watt per metro per kelvin, mentre la ceramica misura circa 30, e acciaio, intorno alle 15.) A quanto pare, il film del team è di due ordini di grandezza più conduttivo termicamente rispetto alla maggior parte dei polimeri, e anche più conduttivo dell'acciaio e della ceramica.

Per capire perché questi film in polietilene ingegnerizzato hanno una conduttività termica così insolitamente elevata, il team ha condotto esperimenti di diffusione di raggi X presso l'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory.

"Questi esperimenti, in una delle strutture a raggi X di sincrotrone più luminose al mondo, ci permettono di vedere i dettagli nanoscopici all'interno delle singole fibre che compongono il film stirato, " dice Jiang.

Imaging dei film ultrasottili, i ricercatori hanno osservato che i film che mostravano una migliore conduzione del calore erano costituiti da nanofibre con catene meno avvolte casualmente, rispetto a quelli dei comuni polimeri, che sembrano spaghetti aggrovigliati. Le loro osservazioni potrebbero aiutare i ricercatori a progettare microstrutture polimeriche per condurre il calore in modo efficiente.

"Questo lavoro da sogno si è avverato alla fine, " dice Xu.

Andando avanti, i ricercatori stanno cercando modi per realizzare conduttori di calore polimerici ancora migliori, regolando il processo di fabbricazione e sperimentando diversi tipi di polimeri.

Zhou sottolinea che il film di polietilene del team conduce il calore solo lungo la lunghezza delle fibre che compongono il film. Un tale conduttore di calore unidirezionale potrebbe essere utile per portare via il calore in una direzione specificata, all'interno di dispositivi come laptop e altri dispositivi elettronici. Ma idealmente, dice che il film dovrebbe dissipare il calore in modo più efficace in qualsiasi direzione.

"Se abbiamo un polimero isotropo con una buona conduttività termica, quindi possiamo facilmente fondere questo materiale in un composito, e possiamo potenzialmente sostituire molti materiali conduttivi, " Dice Zhou. "Quindi stiamo cercando una migliore conduzione del calore in tutte e tre le dimensioni".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.