Les plastiques avancés pourraient inaugurer des briquets, moins cher, composants de produits plus économes en énergie, y compris ceux utilisés dans les véhicules, Les LED et les ordinateurs, si seulement ils dissipaient mieux la chaleur.

Une nouvelle technique qui peut modifier la structure moléculaire du plastique pour l'aider à évacuer la chaleur est un pas prometteur dans cette direction.

Développé par une équipe de chercheurs de l'Université du Michigan en science des matériaux et en génie mécanique et détaillé dans une nouvelle étude publiée dans Avancées scientifiques , le processus est peu coûteux et évolutif.

Le concept peut probablement être adapté à une variété d'autres plastiques. Lors d'essais préliminaires, il a fait un polymère à peu près aussi thermiquement conducteur que le verre - encore beaucoup moins que les métaux ou la céramique, mais six fois mieux pour dissiper la chaleur que le même polymère sans le traitement.

"Les plastiques remplacent les métaux et les céramiques dans de nombreux endroits, mais ce sont de si mauvais conducteurs de chaleur que personne ne les considère même pour des applications qui nécessitent une dissipation efficace de la chaleur, " dit Jinsang Kim, Professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UM. "Nous travaillons à changer cela en appliquant l'ingénierie thermique aux plastiques d'une manière qui n'a jamais été faite auparavant."

Le processus est un changement majeur par rapport aux approches précédentes, qui se sont concentrés sur l'ajout de charges métalliques ou céramiques aux plastiques. Cela a rencontré un succès limité; une grande quantité de charges doit être ajoutée, ce qui est coûteux et peut modifier les propriétés du plastique de manière indésirable. Au lieu, la nouvelle technique utilise un processus qui conçoit la structure du matériau lui-même.

Les plastiques sont constitués de longues chaînes de molécules étroitement enroulées et enchevêtrées comme un bol de spaghettis. Lorsque la chaleur traverse le matériau, il doit voyager le long et entre ces chaînes-un ardu, rond-point qui entrave sa progression.

L'équipe, qui comprend également Kevin Pipe, professeur agrégé de génie mécanique à l'UM, Chen Li, chercheur diplômé en génie mécanique, et Apoorv Shanker, étudiant diplômé en science et génie des matériaux, ont utilisé un processus chimique pour étendre et redresser les chaînes de molécules. Cela a donné à l'énergie thermique un chemin plus direct à travers le matériau. Pour y parvenir, ils ont commencé avec un polymère typique, ou en plastique. Ils ont d'abord dissous le polymère dans l'eau, puis ajouté des électrolytes à la solution pour élever son pH, le rendant alcalin.

Les maillons individuels de la chaîne polymère, appelés monomères, prennent une charge négative, ce qui les pousse à se repousser. Alors qu'ils s'écartaient, ils déroulent les spires serrées de la chaîne. Finalement, la solution d'eau et de polymère est pulvérisée sur des plaques à l'aide d'un procédé industriel courant appelé spin casting, qui le reconstitue en un film plastique solide.

Les chaînes de molécules déroulées à l'intérieur du plastique facilitent le passage de la chaleur à travers celui-ci. L'équipe a également découvert que le processus présente un avantage secondaire :il raidit les chaînes polymères et les aide à se regrouper plus étroitement, les rendant encore plus thermiquement conducteurs.

"Les molécules de polymère conduisent la chaleur en vibrant, et une chaîne moléculaire plus rigide peut vibrer plus facilement, " a déclaré Shanker. " Pensez à une corde de guitare très tendue par rapport à un morceau de ficelle enroulé de manière lâche. La corde de la guitare vibrera lorsqu'elle sera pincée, la ficelle ne le fera pas. Les chaînes de molécules de polymère se comportent de la même manière."

Pipe dit que le travail peut avoir des conséquences importantes en raison du grand nombre d'applications de polymères dans lesquelles la température est importante.

"Les chercheurs ont longtemps étudié les moyens de modifier la structure moléculaire des polymères pour concevoir leur mécanique, propriétés optiques ou électroniques, mais très peu d'études ont examiné les approches de conception moléculaire pour concevoir leurs propriétés thermiques, " Pipe a dit. " Alors que le flux de chaleur dans les matériaux est souvent un processus complexe, même de petites améliorations de la conductivité thermique des polymères peuvent avoir un impact technologique important."

L'équipe cherche maintenant à fabriquer des composites qui combinent la nouvelle technique avec plusieurs autres stratégies de dissipation de chaleur pour augmenter encore la conductivité thermique. Ils travaillent également à appliquer le concept à d'autres types de polymères au-delà de ceux utilisés dans cette recherche. Un produit commercial est probablement dans plusieurs années.

"Nous envisageons d'utiliser des solvants organiques pour appliquer cette technique à des polymères non solubles dans l'eau, ", a déclaré Li. "Mais nous pensons que le concept d'utilisation d'électrolytes pour fabriquer thermiquement des polymères est une idée polyvalente qui s'appliquera à de nombreux autres matériaux."

L'étude s'intitule « Haute conductivité thermique dans les polymères amorphes conçus de manière électrostatique ».