I polimeri sono usati per sviluppare vari materiali, come plastica, nylon e gomma. Nella loro forma più elementare, sono costituiti da molte molecole identiche unite tra loro ripetutamente, come una catena. L'ingegneria delle molecole per unire insieme in modi specifici può dettare le caratteristiche del polimero risultante.

Usando questo metodo, Sheng Shen, professore associato di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University, e il suo team di ricerca ha creato un termoregolatore polimerico che può trasformarsi rapidamente da conduttore a isolante e viceversa. Quando è un conduttore, il calore si trasferisce rapidamente. Quando è un isolante, il calore si trasferisce molto più lentamente. Passando tra i due stati, il termoregolatore può controllare la propria temperatura, così come la temperatura dell'ambiente circostante, come un frigorifero o un computer.

Per passare da alta a bassa conduttività, la struttura stessa del polimero deve cambiare. Questa trasformazione si attiva esclusivamente con il calore. Il polimero inizia "con una struttura cristallina altamente ordinata, " ha detto Shen. "Ma una volta aumentata la temperatura della fibra polimerica a circa 340 Kelvin, poi la struttura molecolare cambia e diventa esagonale."

I risultati sono stati pubblicati in Progressi scientifici in un articolo intitolato "Regolatore termico polimerico ad alto contrasto e reversibile mediante transizione di fase strutturale".

La trasformazione avviene perché il calore prende di mira i legami molecolari. "Il legame delle molecole diventa piuttosto debole, " disse Shen. "Così i segmenti possono ruotare." E una volta che i segmenti ruotano, la struttura si disordina, riducendo notevolmente la sua conduttività termica. Questo tipo di transizione è noto come transizione solido-solido; sebbene il polimero raggiunga temperature prossime al punto di fusione, rimane un solido attraverso il processo.

Quando si studia la trasformazione del polimero, Shen ha concentrato i suoi dati su come è cambiata la sua conduttività. Ha anche raccolto dati su altre transizioni di fase in modo da poter confrontare i rapporti. "Quando guardi tutti i materiali che abbiamo sulla Terra, la variazione di conducibilità è, al massimo, un fattore quattro, " dice Shen. "Ecco, abbiamo già scoperto un nuovo materiale che può avere un cambiamento di conducibilità di circa 10".

Inoltre, il cambiamento strutturale può avvenire rapidamente, entro un intervallo di 5 gradi Kelvin. è anche reversibile, che consente di accenderlo e spegnerlo come un interruttore. Può sopportare temperature molto più elevate rispetto ad altri termoregolatori, rimanendo stabile fino a 560 gradi Kelvin. è difficile da abbattere, quindi può sopravvivere a molte transizioni. E poiché è a base di calore, non utilizza tante parti mobili come i metodi di raffreddamento tipici, rendendolo molto più efficiente.

Sebbene questa ricerca sia stata esplorata teoricamente in passato, Il lavoro di Shen è la prima volta che viene mostrato sperimentalmente. Shen crede che il polimero avrà applicazioni nel mondo reale. "Questo controllo del flusso di calore su scala nanometrica apre nuove possibilità come lo sviluppo di dispositivi termici commutabili, refrigerazione allo stato solido, recupero del calore disperso, circuiti termici e di calcolo, " ha detto Shen.

Questo lavoro si basa su precedenti ricerche nel laboratorio di Shen, dove il suo team ha sviluppato una nanofibra polimerica che era forte, leggero, termicamente conduttivo, elettricamente isolanti e biocompatibili, il tutto a meno di 100 nanometri di larghezza.