Inženýři zase plastový izolant na vodič tepla

30. Března 2018

Vědci z MIT navrhli nový způsob, jak inženýr struktury polymeru na molekulární úrovni, přes chemické ukládání par. To umožňuje tuhé, uspořádané řetězy, versus chaotický, „špagetové prameny“, které obvykle tvoří polymer. Tato řetězová struktura umožňuje transport tepla jak podél, tak napříč řetězy. Úvěra: MIT / Chelsea Turner

Plasty jsou vynikající izolační, což znamená, že může efektivně teplo – kvality, které mohou být výhodou v něco jako šálek kávy rukáv. Ale tento izolační vlastnost je méně žádoucí ve výrobcích, jako jsou plastové kryty pro notebooky a mobilní telefony, které se mohou přehřívat, v části, protože krytiny pasti teplo, které tato zařízení produkují.

Nyní tým inženýrů z MIT vyvinula polymerní tepelný vodič—plastový materiál, který však counterintuitively, funguje jako vodič tepla, odvádí teplo, spíše než izolační. Nové polymery, které jsou lehké a pružné, mohou vést 10krát více tepla než většina komerčně používaných polymerů.

“ tradiční polymery jsou elektricky i tepelně izolační. Objev a vývoj elektricky vodivých polymerů vedl k nové elektronické aplikace, jako jsou flexibilní displeje a nositelné biosenzory,“ říká Yanfei Xu, post-doktorand na MIT Oddělení Mechanického Inženýrství. „Náš polymer může tepelně vést a odvádět teplo mnohem efektivněji. Věříme, polymery by mohly být do příští generace vodiče tepla pro pokročilé řízení teploty aplikací, jako je self-chlazení alternativa k stávající elektroniky střev.“

Xu a tým postdoc, postgraduálních studentů a fakulty dnes zveřejnili své výsledky v Science Advances. Tým zahrnuje Xiaoxue Wang, kteří se podíleli rovněž na výzkumu s Xu, spolu s Jiawei Zhou, Bai Písně, Elizabeth Lee a Samuel Huberman; Zhang Jiang, fyzik na Argonne National Laboratory; Karen Gleason, spolupracovník probošt MIT a Alexander I. Michael Kasser Profesor Chemického Inženýrství; a Gang Chen, vedoucí Katedry MIT Strojírenství a Carl Richard Soderberg Profesor Power Engineering.

strečink špaget

Pokud byste měli přiblížit mikrostrukturu průměrného polymeru, nebylo by těžké pochopit, proč materiál tak snadno zachycuje teplo. Na mikroskopické úrovni jsou polymery vyrobeny z dlouhých řetězců monomerů nebo molekulárních jednotek Spojených od konce do konce. Tyto řetězy jsou často zamotané do koule podobné špagetám. Nosiče tepla se těžko pohybují tímto nepořádným nepořádkem a mají tendenci se zachytit v polymerních vrčení a uzlech.

a přesto se vědci pokusili přeměnit tyto přírodní tepelné izolátory na vodiče. Pro elektroniku by polymery nabídly jedinečnou kombinaci vlastností, protože jsou lehké, pružné a chemicky inertní. Polymery jsou také elektricky izolační, což znamená, že nevedou elektřinu, a mohou být proto použity k zabránění zkratu zařízení, jako jsou notebooky a mobilní telefony, v rukou jejich uživatelů.

Několik skupin inženýrství, polymerní vodiče v posledních letech, včetně Chen je skupina, která v roce 2010 vynalezl metodu na vytvoření „ultradrawn nanovláken“ ze standardní vzorek polyethylenu. Technika protáhl chaotický, neuspořádaný polymerů do ultratenkých, objednal řetězy—podobně jako rozmotávání řetězec svátek světel. Chen zjistil, že výsledný řetězy povolen tepla přeskočit snadno podél a skrz materiál, a to polymeru provedena 300 krát tolik tepla, ve srovnání s běžnými plasty.

ale vodič otočený izolátorem mohl odvádět teplo pouze v jednom směru, po délce každého polymerního řetězce. Teplo nemohl cestovat mezi řetězce polymeru, kvůli slabé Van der Waalsovy síly—fenomén, který v podstatě přitahuje dvou nebo více molekul blízko sebe. Xu přemýšlel, zda by polymerní materiál mohl být vyroben tak, aby rozptýlil teplo pryč, ve všech směrech.

Xu představil aktuální studii jako pokus inženýr polymerů s vysokou tepelnou vodivostí, současně inženýrství intramolekulární a mezimolekulární síly—metoda, která doufala, že by umožnila efektivní teplo dopravy podél a mezi polymerní řetězce.

tým nakonec produkoval tepelně vodivé polymer známý jako polythiophene, typ konjugovaný polymer, který se běžně používá v mnoha elektronických zařízení.

Tipy tepla ve všech směrech

Xu, Chen, a členové Chen laboratoři se spojil s Gleason a její členové laboratoře vyvinout nový způsob, jak se připravit polymerní vodiče pomocí oxidační chemické ukládání par (oCVD), přičemž dva páry jsou zaměřeny do komory a do substrátu, kde jsou vzájemně propojeny a tvoří film. „Naše reakce byla schopna vytvořit tuhé řetězce polymerů, spíše než zkroucené, špagetové prameny v normálních polymerech.“Říká Xu.

v tomto případě Wang proudil okysličovadlo do komory spolu s párou monomerů-jednotlivých molekulárních jednotek, které se při oxidaci tvoří do řetězců známých jako polymery.

„vyrostli Jsme polymerů na silikonové/skleněné substráty, na které oxidant a monomery jsou adsorbovány a reagoval, využití unikátní self-šablony růst mechanismus CVD technologie,“ Wang říká.

Wang produkoval relativně velké vzorky, z nichž každý měřil 2 čtvereční centimetry-o velikosti otisku palce.

„Protože tento vzorek se používá všude, jako solární články, organické tranzistory řízené polem, a organické světlo-emitující diody, pokud tento materiál může být provedena, aby bylo tepelně vodivé, to může rozptýlit teplo ve všech organickou elektroniku,“ říká Xu.

tým měřit každý vzorek je tepelná vodivost pomocí time-domain tepelnou odrazivost—technika, ve které se střílet laser na materiál k ohřevu jeho povrchu a pak sledovat pokles jeho povrchové teploty pomocí měření materiálu je odrazivost jako teplo šíří do materiálu.

„časový profil rozpadu povrchová teplota souvisí s rychlostí šíření tepla, ze které jsme byli schopni vypočítat tepelnou vodivost,“ Zhou říká.

vzorky polymeru byly v průměru schopny vést teplo rychlostí asi 2 watty na metr na kelvin-asi 10krát rychleji, než čeho mohou dosáhnout konvenční polymery. V Argonne National Laboratory, Jiang a Xu zjistili, že vzorky polymerů vypadaly téměř izotropně, nebo jednotné. To naznačuje, že vlastnosti materiálu, jako je jeho tepelná vodivost, by také měly být téměř rovnoměrné. Na základě tohoto odůvodnění, tým předpověděl, že materiál by měl vést teplo stejně dobře ve všech směrech, což zvyšuje jeho tepelně-odvádí potenciál.

do budoucna bude tým pokračovat ve zkoumání základní fyziky za polymerní vodivostí, jakož i způsobů, jak umožnit použití materiálu v elektronice a dalších produktech, jako jsou pouzdra na baterie a fólie pro desky s plošnými spoji.

„můžeme tento materiál přímo a konformně natřít na křemíkové destičky a různá elektronická zařízení“ říká Xu. „Pokud dokážeme pochopit, jak tepelný transport v těchto neuspořádaných strukturách, možná můžeme také usilovat o vyšší tepelnou vodivost. Pak můžeme pomoci vyřešit tento rozšířený problém s přehřátím a zajistit lepší řízení teploty.“

Více informací: „Molekulární inženýrství konjugovaný polymer s vysokou tepelnou vodivostí“ Věda postupuje (2018). advances.sciencemag.org/content/4/3/eaar3031

Věstníku informace: Science Advances

Poskytované společností Massachusetts Institute of Technology

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.