Les polymères sont régulièrement utilisés comme isolants thermiques pour tout, du maintien au chaud des boissons au maintien au frais des appareils électroniques sensibles. Dans certains cas, les polymères peuvent même être utilisés comme conducteurs thermiques pour permettre un chauffage ou un refroidissement efficace.

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont conçu et démontré un nouveau type de polymère démontrant une conductivité thermique commutable contrôlée par la lumière. Le matériau a le potentiel d'acheminer la conduction de la chaleur à la demande et de permettre de nouvelles, plus intelligent, façons de gérer la chaleur.

Les résultats sont rapportés dans Actes de l'Académie nationale des sciences .

« Les polymères sont largement utilisés dans les systèmes techniques, mais ces matériaux ont presque toujours été considérés comme thermiquement statiques. La découverte de polymères qui peuvent être déclenchés optiquement pour basculer rapidement entre les états thermiquement conducteurs et isolants ouvrira de toutes nouvelles opportunités en génie thermique, " a expliqué Paul Braun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux (MatSE) et directeur du laboratoire de recherche sur les matériaux de l'Illinois.

"Au meilleur de nos connaissances, c'est la première observation d'une transition cristal-liquide réversible déclenchée par la lumière dans n'importe quel matériau polymère. Le résultat particulièrement notable de cette étude est la rapidité, changement réversible de 3 fois de la conductivité thermique associé à la transition de phase, " a expliqué Jungwoo Shin, un doctorat MatSE. étudiant à l'Illinois.

Le polymère de commutation thermique développé par l'équipe de recherche de l'Illinois démontre un contrôle puissant des propriétés thermophysiques d'un polymère en réponse à la lumière. Cette capacité provient d'une molécule photosensible, azobenzène, qui peut être excité optiquement par la lumière ultraviolette (UV) et visible.

"Nous avons synthétisé un polymère complexe fonctionnalisé avec des groupes azobenzène sensibles à la lumière. En éclairant avec de la lumière UV et visible, nous pourrions changer la forme du groupe azobenzène, moduler la force de liaison interchaîne et conduire une transition réversible entre cristal et liquide, " dit Jaeuk Sung, un doctorat MatSE. étudiant à l'Illinois.

Pour capturer les transitions de conductivité thermique des polymères d'azobenzène sous un éclairage lumineux, l'équipe de recherche de l'Illinois a utilisé une technique appelée thermoréflectance dans le domaine temporel (TDTR) développée par David Cahill, un professeur MatSE à l'Illinois.

"La façon dont la chaleur est transportée dans le polymère est liée à la diffusion des modes vibrationnels. Dans les cristaux ordonnés, ces modes vibrationnels voyagent beaucoup plus loin que ce qui est observé dans les liquides désordonnés. Par conséquent, un changement extrême dans l'ordre moléculaire du polymère peut altérer de manière significative la conductivité thermique, ", a déclaré David Cahill.

Ce changement extrême dans l'ordre macromoléculaire, par exemple., cristal-liquide, est rare dans la nature, et n'a été rapporté précédemment pour aucun système polymère en réponse à la lumière. Ainsi, démêler le mécanisme de la transition de phase déclenchée par la lumière était essentiel pour comprendre le comportement unique du polymère.

"Nous avons pu constater que, lors d'une exposition à la lumière, ce matériau passe rapidement d'un état à un autre avec des propriétés de transport de chaleur très distinctes. Nous avons utilisé la diffusion des rayons X par synchrotron pour élucider la structure associée à chaque état au cours de la transformation, boucler la boucle synthèse-caractérisation-fonction de ce polymère sophistiqué, " a ajouté Cécilia Leal, un professeur MatSE à l'Illinois.

"Garder un appareil électrique au chaud est aussi important que le garder au froid. Des matériaux avec une telle conductivité thermique commutable permettraient de garantir la sécurité des systèmes électrifiés, fiable et efficace même dans des conditions extrêmes." a expliqué Andrew Alleyne, le directeur du Centre de recherche en ingénierie parrainé par la National Science Foundation (NSF) pour l'optimisation de l'alimentation des systèmes électrothermiques (POETS) qui a soutenu ce travail, et professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie à l'Illinois.

"La capacité de changer rapidement les propriétés thermiques d'un polymère par exposition à la lumière ouvre de nouvelles voies passionnantes pour le contrôle du transport thermique et de la conversion d'énergie au niveau moléculaire, " a ajouté Nancy Sottos, un professeur MatSE à l'Illinois.

Cette découverte fournit un exemple frappant de la façon dont la lumière peut être utilisée pour contrôler la conductivité thermique des polymères. Une meilleure compréhension de la relation physique entre la conductivité thermique et l'ordre macromoléculaire permettrait également de repousser les limites des polymères traditionnels.