Os polímeros são usados ​​regularmente como isolantes térmicos para tudo, desde manter bebidas quentes até manter frios os eletrônicos sensíveis. Em alguns casos, os polímeros podem até ser usados ​​como condutores térmicos para permitir um aquecimento ou resfriamento eficiente.

Em um novo estudo, pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign projetaram e demonstraram um novo tipo de polímero que demonstra uma condutividade térmica comutável controlada pela luz. O material tem potencial para direcionar a condução de calor sob demanda e permitir novos, mais esperto, maneiras de controlar o calor.

As descobertas são relatadas em Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Os polímeros são usados ​​extensivamente em sistemas de engenharia, mas esses materiais quase sempre foram considerados termicamente estáticos. A descoberta de polímeros que podem ser acionados opticamente para alternar rapidamente entre os estados de condução térmica e de isolamento abrirá oportunidades totalmente novas em engenharia térmica, "explicou Paul Braun, professor de ciência e engenharia de materiais (MatSE) e diretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais de Illinois.

"Para o melhor de nosso conhecimento, esta é a primeira observação de uma transição cristal-líquido reversível disparada por luz em qualquer material polimérico. O achado particularmente notável neste estudo é o rápido, mudança reversível de 3 vezes na condutividade térmica associada à transição de fase, "explicou Jungwoo Shin, um MatSE Ph.D. estudante em Illinois.

O polímero de comutação térmica desenvolvido pela equipe de pesquisa de Illinois demonstra um poderoso controle das propriedades termofísicas de um polímero em resposta à luz. Essa capacidade se origina de uma molécula foto-responsiva, azobenzeno, que pode ser opticamente excitado por ultravioleta (UV) e luz visível.

"Sintetizamos um polímero complexo funcionalizado com grupos azobenzeno responsivos à luz. Ao iluminar com luz ultravioleta e visível, poderíamos mudar a forma do grupo azobenzeno, modula a força de ligação intercadeia e conduz uma transição reversível entre o cristal e o líquido, "disse Jaeuk Sung, um MatSE Ph.D. estudante em Illinois.

Para capturar as transições de condutividade térmica de polímeros de azobenzeno sob iluminação de luz, a equipe de pesquisa de Illinois usou uma técnica chamada termorefletância no domínio do tempo (TDTR) desenvolvida por David Cahill, um professor MatSE em Illinois.

"A forma como o calor é transportado no polímero está relacionada à difusão dos modos vibracionais. Em cristais ordenados, esses modos vibracionais viajam muito mais longe do que o que é observado em líquidos desordenados. Como resultado, uma mudança extrema na ordem molecular do polímero pode alterar significativamente a condutividade térmica, "David Cahill disse.

Essa mudança extrema na ordem macromolecular, por exemplo., cristal para líquido, é raro na natureza, e não foi relatado anteriormente para qualquer sistema de polímero em resposta à luz. Assim, desvendar o mecanismo da transição de fase disparada pela luz foi fundamental para entender o comportamento único do polímero.

"Pudemos observar que, após a exposição à luz, este material muda rapidamente de um estado para outro com propriedades de transporte de calor dramaticamente distintas. Usamos o espalhamento de raios-X baseado em síncrotron para elucidar a estrutura associada a cada estado durante a transformação, fechando o loop da função de caracterização de síntese para este polímero sofisticado, "acrescentou Cecilia Leal, um professor MatSE em Illinois.

"Manter um dispositivo elétrico aquecido é tão importante quanto mantê-lo frio. Materiais com condutividade térmica comutável permitiriam maneiras de manter os sistemas eletrificados seguros, confiável e eficiente mesmo em condições extremas ", explicou Andrew Alleyne, o diretor da National Science Foundation (NSF) patrocinou o Centro de Pesquisa de Engenharia para Otimização de Energia de Sistemas Eletrotérmicos (POETAS) que apoiou este trabalho, e professor de Ciência Mecânica e Engenharia em Illinois.

"A capacidade de mudar rapidamente as propriedades térmicas de um polímero pela exposição à luz abre novas e estimulantes rotas para o controle do transporte térmico e conversão de energia em nível molecular, "acrescentou Nancy Sottos, um professor MatSE em Illinois.

Essa descoberta fornece um exemplo notável de como a luz pode ser usada para controlar a condutividade térmica dos polímeros. Uma melhor compreensão da relação física entre a condutividade térmica e a ordenação macromolecular também ajudaria a ultrapassar os limites dos polímeros tradicionais.