Os plásticos são excelentes isolantes, o que significa que eles podem reter o calor com eficiência - uma qualidade que pode ser uma vantagem em algo como uma manga de xícara de café. Mas essa propriedade de isolamento é menos desejável em produtos como invólucros de plástico para laptops e telefones celulares, que pode superaquecer, em parte porque as coberturas retêm o calor que os dispositivos produzem.

Agora, uma equipe de engenheiros do MIT desenvolveu um condutor térmico de polímero - um material plástico que, embora contra-intuitivamente, funciona como um condutor de calor, dissipando o calor em vez de isolá-lo. Os novos polímeros, que são leves e flexíveis, pode conduzir 10 vezes mais calor que a maioria dos polímeros usados ​​comercialmente.

"Os polímeros tradicionais são eletricamente e termicamente isolantes. A descoberta e o desenvolvimento de polímeros condutores de eletricidade levaram a novas aplicações eletrônicas, como telas flexíveis e biossensores vestíveis, "diz Yanfei Xu, um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Nosso polímero pode conduzir e remover o calor termicamente com muito mais eficiência. Acreditamos que os polímeros podem ser transformados em condutores de calor de última geração para aplicações de gerenciamento térmico avançado, como uma alternativa de resfriamento automático aos invólucros eletrônicos existentes. "

Xu e uma equipe de pós-docs, estudantes de graduação, e professores, publicaram seus resultados hoje em Avanços da Ciência . A equipe inclui Xiaoxue Wang, que contribuiu igualmente para a pesquisa com Xu, junto com Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, e Samuel Huberman; Zhang Jiang, físico do Laboratório Nacional de Argonne; Karen Gleason, reitor associado do MIT e Alexander I. Michael Kasser Professor de Engenharia Química; e Gang Chen, chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT e o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia.

Espaguete alongamento

Se você fosse dar um zoom na microestrutura de um polímero médio, não seria difícil ver por que o material retém o calor com tanta facilidade. No nível microscópico, polímeros são feitos de longas cadeias de monômeros, ou unidades moleculares, ligado de ponta a ponta. Essas correntes costumam estar emaranhadas em uma bola parecida com um espaguete. Os portadores de calor têm dificuldade em se mover por essa bagunça desordenada e tendem a ficar presos nos nós e emaranhados poliméricos.

E ainda, pesquisadores tentaram transformar esses isolantes térmicos naturais em condutores. Para eletrônicos, polímeros ofereceriam uma combinação única de propriedades, como eles são leves, flexível, e quimicamente inerte. Os polímeros também são eletricamente isolantes, o que significa que eles não conduzem eletricidade, e pode, portanto, ser usado para evitar que dispositivos como laptops e telefones celulares entrem em curto-circuito nas mãos de seus usuários.

Vários grupos desenvolveram condutores de polímero nos últimos anos, incluindo o grupo de Chen, que em 2010 inventou um método para criar "nanofibras ultradrawn" a partir de uma amostra padrão de polietileno. A técnica esticou a bagunça, polímeros desordenados em ultrafinos, cadeias ordenadas - muito parecido com desembaraçar uma série de luzes natalinas. Chen descobriu que as correntes resultantes permitiam que o calor pulasse facilmente ao longo e através do material, e que o polímero conduziu 300 vezes mais calor em comparação com os plásticos comuns.

Mas o isolador transformado em condutor só poderia dissipar o calor em uma direção, ao longo do comprimento de cada cadeia de polímero. O calor não pode viajar entre as cadeias de polímero, devido a forças fracas de Van der Waals - um fenômeno que atrai essencialmente duas ou mais moléculas próximas uma da outra. Xu se perguntou se um material polimérico poderia ser feito para dispersar o calor, em todas as direções.

Xu concebeu o estudo atual como uma tentativa de projetar polímeros com alta condutividade térmica, pela engenharia simultânea de forças intramoleculares e intermoleculares - um método que ela esperava permitiria o transporte eficiente de calor ao longo e entre as cadeias de polímero.

A equipe acabou produzindo um polímero condutor de calor conhecido como politiofeno, um tipo de polímero conjugado que é comumente usado em muitos dispositivos eletrônicos.

Sugestões de calor em todas as direções

Xu, Chen, e membros do laboratório de Chen se uniram a Gleason e seus membros de laboratório para desenvolver uma nova maneira de projetar um condutor de polímero usando deposição de vapor químico oxidativo (oCVD), em que dois vapores são direcionados para uma câmara e para um substrato, onde interagem e formam um filme. "Nossa reação foi capaz de criar cadeias rígidas de polímeros, ao invés do torcido, fios semelhantes a espaguete em polímeros normais ", diz Xu.

Nesse caso, Wang despejou o oxidante em uma câmara, junto com um vapor de monômeros - unidades moleculares individuais que, quando oxidado, formar em cadeias conhecidas como polímeros.

"Crescemos os polímeros em substratos de silício / vidro, no qual o oxidante e os monômeros são adsorvidos e reagidos, alavancando o mecanismo único de crescimento autotemplado da tecnologia CVD, "Wang diz.

Wang produziu amostras em escala relativamente grande, cada um medindo 2 centímetros quadrados - aproximadamente o tamanho de uma impressão digital.

"Como esta amostra é usada de forma onipresente, como nas células solares, transistores de efeito de campo orgânico, e diodos emissores de luz orgânicos, se este material pode ser feito para ser termicamente condutor, pode dissipar o calor em todos os eletrônicos orgânicos, "Xu diz.

A equipe mediu a condutividade térmica de cada amostra usando refletância térmica no domínio do tempo - uma técnica na qual eles disparam um laser sobre o material para aquecer sua superfície e, em seguida, monitoram a queda na temperatura da superfície medindo a refletância do material conforme o calor se espalha para o material.

"O perfil temporal da queda da temperatura da superfície está relacionado à velocidade de propagação do calor, a partir do qual fomos capazes de calcular a condutividade térmica, "Zhou diz.

Na média, as amostras de polímero foram capazes de conduzir calor a cerca de 2 watts por metro por kelvin - cerca de 10 vezes mais rápido do que os polímeros convencionais podem atingir. No Laboratório Nacional de Argonne, Jiang e Xu descobriram que as amostras de polímero pareciam quase isotrópicas, ou uniforme. Isso sugere que as propriedades do material, como sua condutividade térmica, também deve ser quase uniforme. Seguindo este raciocínio, a equipe previu que o material deve conduzir o calor igualmente bem em todas as direções, aumentando seu potencial de dissipação de calor.

Daqui para frente, a equipe continuará explorando a física fundamental por trás da condutividade do polímero, bem como maneiras de permitir que o material seja usado em eletrônicos e outros produtos, como invólucros para baterias, e filmes para placas de circuito impresso.

"Podemos revestir esse material de maneira direta e conforme em pastilhas de silício e em diferentes dispositivos eletrônicos", diz Xu. "Se pudermos entender como o transporte térmico [funciona] nessas estruturas desordenadas, talvez possamos também pressionar por uma condutividade térmica mais alta. Então, podemos ajudar a resolver este problema generalizado de superaquecimento, e fornecer melhor gerenciamento térmico. "