Plásticos avançados podem trazer mais luz, mais barato, componentes de produtos com maior eficiência energética, incluindo aqueles usados ​​em veículos, LEDs e computadores - se fossem melhores na dissipação de calor.

Uma nova técnica que pode mudar a estrutura molecular do plástico para ajudá-lo a dissipar o calor é um passo promissor nessa direção.

Desenvolvido por uma equipe de pesquisadores da Universidade de Michigan em ciência dos materiais e engenharia mecânica e detalhado em um novo estudo publicado em Avanços da Ciência , o processo é barato e escalonável.

O conceito provavelmente pode ser adaptado a uma variedade de outros plásticos. Em testes preliminares, fez um polímero quase tão termicamente condutor quanto o vidro - ainda muito menos do que metais ou cerâmicas, mas seis vezes melhor na dissipação de calor do que o mesmo polímero sem o tratamento.

"Os plásticos estão substituindo metais e cerâmicas em muitos lugares, mas eles são condutores de calor tão pobres que ninguém os considera para aplicações que requerem que o calor seja dissipado de forma eficiente, "disse Jinsang Kim, Professor de ciência e engenharia de materiais da U-M. "Estamos trabalhando para mudar isso aplicando a engenharia térmica aos plásticos de uma forma que nunca foi feita antes."

O processo é um grande desvio das abordagens anteriores, que se concentraram na adição de cargas metálicas ou cerâmicas aos plásticos. Isso teve sucesso limitado; uma grande quantidade de enchimentos deve ser adicionada, o que é caro e pode alterar as propriedades do plástico de maneiras indesejáveis. Em vez de, a nova técnica usa um processo que projeta a estrutura do próprio material.

Os plásticos são feitos de longas cadeias de moléculas que estão firmemente enroladas e emaranhadas como uma tigela de espaguete. À medida que o calor viaja pelo material, deve viajar ao longo e entre essas cadeias - uma árdua, jornada rotatória que impede seu progresso.

A equipe, que também inclui o professor associado de engenharia mecânica da U-M Kevin Pipe, o pesquisador graduado em engenharia mecânica Chen Li e o estudante de graduação em engenharia e ciência de materiais Apoorv Shanker - usaram um processo químico para expandir e endireitar as cadeias de moléculas. Isso deu à energia térmica uma rota mais direta através do material. Para conseguir isso, eles começaram com um polímero típico, ou plástico. Eles primeiro dissolveram o polímero em água, em seguida, adicionou eletrólitos à solução para aumentar seu pH, tornando-o alcalino.

Os elos individuais na cadeia de polímero - chamados monômeros - assumem uma carga negativa, o que faz com que eles se repelam. À medida que se espalham, eles desenrolam as bobinas apertadas da corrente. Finalmente, a solução de água e polímero é pulverizada em placas usando um processo industrial comum chamado spin casting, que o reconstitui em um filme plástico sólido.

As cadeias de moléculas desenroladas dentro do plástico facilitam a passagem do calor por ele. A equipe também descobriu que o processo tem um benefício secundário - ele enrijece as cadeias de polímero e as ajuda a compactar com mais firmeza, tornando-os ainda mais termicamente condutivos.

"As moléculas de polímero conduzem calor por vibração, e uma cadeia de molécula mais rígida pode vibrar com mais facilidade, "Shanker disse." Pense em uma corda de violão bem esticada comparada a um pedaço de corda frouxamente enrolado. A corda da guitarra vibrará quando puxada, o barbante não vai. As cadeias de moléculas de polímero se comportam de maneira semelhante. "

Pipe afirma que o trabalho pode ter consequências importantes devido ao grande número de aplicações de polímeros em que a temperatura é importante.

"Os pesquisadores há muito estudam maneiras de modificar a estrutura molecular dos polímeros para projetar sua mecânica, propriedades ópticas ou eletrônicas, mas muito poucos estudos examinaram abordagens de design molecular para projetar suas propriedades térmicas, "Pipe disse." Embora o fluxo de calor nos materiais seja frequentemente um processo complexo, mesmo pequenas melhorias nas condutividades térmicas dos polímeros podem ter um grande impacto tecnológico. "

A equipe agora está procurando fazer compostos que combinem a nova técnica com várias outras estratégias de dissipação de calor para aumentar ainda mais a condutividade térmica. Eles também estão trabalhando para aplicar o conceito a outros tipos de polímeros além dos usados ​​nesta pesquisa. Um produto comercial provavelmente está a vários anos de distância.

"Estamos estudando o uso de solventes orgânicos para aplicar esta técnica a polímeros não solúveis em água, "Disse Li." Mas acreditamos que o conceito de usar eletrólitos para produzir polímeros termicamente é uma ideia versátil que se aplicará a muitos outros materiais. "

O estudo é intitulado "Alta condutividade térmica em polímeros amorfos projetados eletrostaticamente."