Os polímeros são geralmente o material de referência para isolamento térmico. Pense em uma luva de forno de silicone, ou um copo de café de isopor, ambos fabricados com materiais poliméricos excelentes para reter o calor.

Agora, os engenheiros do MIT mudaram a imagem do isolador de polímero padrão, pela fabricação de filmes finos de polímero que conduzem calor - uma capacidade normalmente associada aos metais. Em experimentos, eles encontraram os filmes, que são mais finos do que filme plástico, conduzem o calor melhor do que muitos metais, incluindo aço e cerâmica.

Os resultados da equipe, publicado no jornal Nature Communications , pode estimular o desenvolvimento de isoladores de polímero como leves, flexível, e alternativas resistentes à corrosão para condutores de calor de metal tradicionais, para aplicações que vão desde materiais de dissipação de calor em laptops e telefones celulares, a elementos de refrigeração em carros e refrigeradores.

“Achamos que este resultado é um passo para estimular o campo, "diz Gang Chen, o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia no MIT, e um co-autor sênior do artigo. "Nossa visão mais ampla é, essas propriedades dos polímeros podem criar novas aplicações e talvez novas indústrias, e pode substituir metais como trocadores de calor. "

Os co-autores de Chen incluem o autor principal Yanfei Xu, junto com Daniel Kraemer, Bai Song, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Migda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang, e Xiaobo Li do MIT, e Zhang Jiang do Laboratório Nacional de Argonne.

Em 2010, a equipe relatou sucesso na fabricação de fibras finas de polietileno que eram 300 vezes mais condutoras térmicas do que o polietileno normal, e quase tão condutivo quanto a maioria dos metais. Seus resultados, publicado na Nature Nanotechnology, chamou a atenção de vários setores, incluindo fabricantes de trocadores de calor, processadores de núcleo de computador, e até carros de corrida.

Logo ficou claro que, para que os condutores de polímero funcionem para qualquer uma dessas aplicações, os materiais teriam que ser escalados de fibras ultrafinas (uma única fibra media um centésimo do diâmetro de um cabelo humano) para filmes mais gerenciáveis.

"Naquela época, nós dissemos, em vez de uma única fibra, podemos tentar fazer uma folha, "Chen diz." Acontece que foi um processo muito árduo. "

Os pesquisadores não só tiveram que encontrar uma maneira de fabricar folhas de polímero condutor de calor, mas eles também tiveram que construir um aparelho personalizado para testar a condução de calor do material, bem como desenvolver códigos de computador para analisar imagens das estruturas microscópicas do material.

No fim, a equipe foi capaz de fabricar filmes finos de polímero condutor, começando com um pó de polietileno comercial. Normalmente, a estrutura microscópica do polietileno e da maioria dos polímeros se assemelha a um emaranhado de cadeias moleculares semelhante a um espaguete. O calor tem dificuldade em fluir por essa bagunça confusa, o que explica as propriedades isolantes intrínsecas de um polímero.

Xu e seus colegas procuraram maneiras de desemaranhar os nós moleculares do polietileno, para formar cadeias paralelas ao longo das quais o calor pode conduzir melhor. Para fazer isso, eles dissolviam o pó de polietileno em uma solução que fazia com que as correntes enroladas se expandissem e se desemaranhassem. Um sistema de fluxo customizado desemaranhou ainda mais as cadeias moleculares, e cuspir a solução em uma placa resfriada com nitrogênio líquido para formar um filme espesso, que foi então colocado em uma máquina de desenho rolo a rolo que aqueceu e esticou o filme até que ele ficasse mais fino do que um filme plástico.

A equipe então construiu um aparato para testar a condução de calor do filme. Enquanto a maioria dos polímeros conduz calor em cerca de 0,1 a 0,5 watts por metro por Kelvin, Xu descobriu que o novo filme de polietileno media cerca de 60 watts por metro por Kelvin. (Diamante, o melhor material condutor de calor, chega por volta das 2, 000 watts por metro por Kelvin, enquanto a cerâmica mede cerca de 30, e aço, por volta de 15.) Acontece que, o filme da equipe é duas ordens de magnitude mais condutor térmico do que a maioria dos polímeros, e também mais condutivo do que aço e cerâmica.

Para entender por que essas películas de polietileno projetadas têm uma condutividade térmica incomumente alta, a equipe conduziu experimentos de espalhamento de raios-X na Fonte Avançada de Fótons (APS) do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional de Argonne.

"Esses experimentos, em uma das instalações de raios-X síncrotron mais brilhantes do mundo, nos permitem ver os detalhes nanoscópicos dentro das fibras individuais que compõem o filme esticado, "Jiang disse.

Ao obter imagens dos filmes ultrafinos, os pesquisadores observaram que os filmes exibindo melhor condução de calor consistiam em nanofibras com cadeias menos enroladas aleatoriamente, versus aqueles em polímeros comuns, que se assemelha a espaguete emaranhado. Suas observações podem ajudar os pesquisadores a projetar microestruturas de polímero para conduzir calor com eficiência.

"Este trabalho dos sonhos se tornou realidade no final, "Xu diz.

Daqui para frente, os pesquisadores estão procurando maneiras de fazer condutores de calor de polímero ainda melhores, ajustando o processo de fabricação e experimentando diferentes tipos de polímeros.

Zhou ressalta que o filme de polietileno da equipe conduz calor apenas ao longo das fibras que compõem o filme. Tal condutor de calor unidirecional pode ser útil para transportar o calor em uma direção especificada, dispositivos internos, como laptops e outros eletrônicos. Mas idealmente, ele diz que o filme deve dissipar o calor de forma mais eficaz em qualquer direção.

"Se tivermos um polímero isotrópico com boa condutividade de calor, então podemos facilmente misturar este material em um composto, e podemos potencialmente substituir muitos materiais condutores, "Zhou diz." Então, estamos procurando uma melhor condução de calor em todas as três dimensões. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.