Les plastiques sont d'excellents isolants, ce qui signifie qu'ils peuvent emprisonner efficacement la chaleur - une qualité qui peut être un avantage dans quelque chose comme un manchon de tasse à café. Mais cette propriété isolante est moins souhaitable dans des produits tels que les boîtiers en plastique pour ordinateurs portables et téléphones portables, qui peut surchauffer, en partie parce que les revêtements retiennent la chaleur produite par les appareils.

Aujourd'hui, une équipe d'ingénieurs du MIT a développé un conducteur thermique polymère, un matériau plastique qui, cependant contre-intuitivement, fonctionne comme un conducteur de chaleur, dissiper la chaleur plutôt que de l'isoler. Les nouveaux polymères, qui sont légers et flexibles, peut conduire 10 fois plus de chaleur que la plupart des polymères utilisés dans le commerce.

« Les polymères traditionnels sont à la fois électriquement et thermiquement isolants. La découverte et le développement de polymères électriquement conducteurs ont conduit à de nouvelles applications électroniques telles que les écrans flexibles et les biocapteurs portables, " dit Yanfei Xu, un post-doctorat au département de génie mécanique du MIT. "Notre polymère peut conduire thermiquement et éliminer la chaleur beaucoup plus efficacement. Nous pensons que les polymères pourraient être transformés en conducteurs thermiques de nouvelle génération pour des applications avancées de gestion thermique, comme une alternative auto-refroidissante aux boîtiers électroniques existants."

Xu et une équipe de post-doctorants, étudiants diplômés, et le corps professoral, ont publié aujourd'hui leurs résultats dans Avancées scientifiques . L'équipe comprend Xiaoxue Wang, qui a contribué à part égale à la recherche avec Xu, avec Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, et Samuel Huberman; Zhang Jiang, physicien au Laboratoire national d'Argonne; Karen Gleason, vice-président du MIT et professeur de génie chimique Alexander I. Michael Kasser; et Gang Chen, chef du département de génie mécanique du MIT et professeur de génie électrique Carl Richard Soderberg.

Étirement des spaghettis

Si vous deviez zoomer sur la microstructure d'un polymère moyen, il ne serait pas difficile de comprendre pourquoi le matériau emprisonne la chaleur si facilement. Au niveau microscopique, les polymères sont constitués de longues chaînes de monomères, ou unités moléculaires, liés de bout en bout. Ces chaînes sont souvent emmêlées dans une boule en forme de spaghetti. Les porteurs de chaleur ont du mal à traverser ce désordre désordonné et ont tendance à se coincer dans les grognements et les nœuds polymères.

Et encore, des chercheurs ont tenté de transformer ces isolants thermiques naturels en conducteurs. Pour l'électronique, les polymères offriraient une combinaison unique de propriétés, comme ils sont légers, souple, et chimiquement inerte. Les polymères sont également isolants électriquement, ce qui signifie qu'ils ne conduisent pas l'électricité, et peut donc être utilisé pour empêcher les appareils tels que les ordinateurs portables et les téléphones portables de se court-circuiter entre les mains de leurs utilisateurs.

Plusieurs groupes ont conçu des conducteurs polymères ces dernières années, y compris le groupe de Chen, qui a inventé en 2010 une méthode pour créer des « nanofibres ultratirées » à partir d'un échantillon standard de polyéthylène. La technique a étiré le désordre, polymères désordonnés en ultrafins, chaînes ordonnées, un peu comme démêler une guirlande de lumières de Noël. Chen a découvert que les chaînes résultantes permettaient à la chaleur de passer facilement le long et à travers le matériau, et que le polymère conduisait 300 fois plus de chaleur que les plastiques ordinaires.

Mais l'isolant devenu conducteur ne pouvait dissiper la chaleur que dans une seule direction, le long de chaque chaîne polymère. La chaleur ne pouvait pas voyager entre les chaînes polymères, en raison de la faiblesse des forces de Van der Waals - un phénomène qui attire essentiellement deux molécules ou plus proches les unes des autres. Xu s'est demandé si un matériau polymère pouvait être fabriqué pour disperser la chaleur, dans tous les sens.

Xu a conçu l'étude actuelle comme une tentative de concevoir des polymères à haute conductivité thermique, en créant simultanément des forces intramoléculaires et intermoléculaires, une méthode qui, espérait-elle, permettrait un transport de chaleur efficace le long et entre les chaînes polymères.

L'équipe a finalement produit un polymère thermoconducteur connu sous le nom de polythiophène, un type de polymère conjugué qui est couramment utilisé dans de nombreux appareils électroniques.

Des pointes de chaleur dans toutes les directions

Xu, Chen, et les membres du laboratoire de Chen se sont associés à Gleason et aux membres de son laboratoire pour développer une nouvelle façon de concevoir un conducteur polymère en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur oxydant (oCVD), grâce à quoi deux vapeurs sont dirigées dans une chambre et sur un substrat, où ils interagissent et forment un film. "Notre réaction a pu créer des chaînes rigides de polymères, plutôt que le tordu, des brins de type spaghetti dans des polymères normaux. " dit Xu.

Dans ce cas, Wang a fait couler l'oxydant dans une chambre, avec une vapeur de monomères - des unités moléculaires individuelles qui, une fois oxydé, former dans les chaînes connues sous le nom de polymères.

"Nous avons fait pousser les polymères sur des substrats silicium/verre, sur lesquels l'oxydant et les monomères sont adsorbés et réagissent, tirer parti du mécanisme de croissance unique de la technologie CVD, " dit Wang.

Wang a produit des échantillons à relativement grande échelle, mesurant chacun 2 centimètres carrés - environ la taille d'une empreinte de pouce.

« Parce que cet échantillon est utilisé de manière si omniprésente, comme dans les cellules solaires, transistors organiques à effet de champ, et des diodes électroluminescentes organiques, si ce matériau peut être rendu thermiquement conducteur, il peut dissiper la chaleur dans toute l'électronique organique, " dit Xu.

L'équipe a mesuré la conductivité thermique de chaque échantillon à l'aide de la réflectance thermique dans le domaine temporel, une technique dans laquelle ils tirent un laser sur le matériau pour chauffer sa surface, puis surveillent la baisse de sa température de surface en mesurant la réflectance du matériau à mesure que la chaleur se propage dans le Matériel.

"Le profil temporel de la décroissance de la température de surface est lié à la vitesse de propagation de la chaleur, à partir de laquelle nous avons pu calculer la conductivité thermique, " dit Zhou.

En moyenne, les échantillons de polymère étaient capables de conduire la chaleur à environ 2 watts par mètre par kelvin - environ 10 fois plus vite que ce que les polymères conventionnels peuvent atteindre. Au Laboratoire National d'Argonne, Jiang et Xu ont découvert que les échantillons de polymère semblaient presque isotropes, ou uniforme. Cela suggère que les propriétés du matériau, comme sa conductivité thermique, devrait également être presque uniforme. Suite à ce raisonnement, l'équipe a prédit que le matériau devrait conduire la chaleur aussi bien dans toutes les directions, augmentant son potentiel de dissipation de chaleur.

Aller de l'avant, l'équipe continuera d'explorer la physique fondamentale derrière la conductivité des polymères, ainsi que les moyens de permettre l'utilisation du matériau dans l'électronique et d'autres produits, comme les boîtiers pour batteries, et films pour circuits imprimés.

"Nous pouvons directement et de manière conforme enduire ce matériau sur des plaquettes de silicium et différents appareils électroniques", explique Xu. "Si nous pouvons comprendre comment le transport thermique [fonctionne] dans ces structures désordonnées, peut-être que nous pouvons aussi pousser pour une conductivité thermique plus élevée. Ensuite, nous pouvons aider à résoudre ce problème de surchauffe généralisé, et offrent une meilleure gestion thermique."