En mélangeant de la poudre de polymère en solution pour générer un film qu'ils ont ensuite étiré, Les chercheurs du MIT ont modifié la microstructure du polyéthylène, à partir d'amas de chaînes moléculaires ressemblant à des spaghettis (à gauche), aux brins plus droits (à droite), laisser la chaleur conduire à travers le polymère, mieux que la plupart des métaux. Crédit :Gang Chen et al .
Les polymères sont généralement le matériau de prédilection pour l'isolation thermique. Pensez à un gant de cuisine en silicone, ou une tasse à café en polystyrène, tous deux fabriqués à partir de matériaux polymères qui sont excellents pour piéger la chaleur.
Maintenant, les ingénieurs du MIT ont inversé l'image de l'isolant polymère standard, en fabriquant des films polymères minces qui conduisent la chaleur, une capacité normalement associée aux métaux. Dans les expériences, ils ont trouvé les films, qui sont plus minces qu'une pellicule plastique, conduire la chaleur mieux que de nombreux métaux, y compris l'acier et la céramique.
Les résultats de l'équipe, publié dans la revue Communication Nature , peut stimuler le développement d'isolateurs polymères légers, souple, et des alternatives résistantes à la corrosion aux conducteurs thermiques métalliques traditionnels, pour des applications allant des matériaux de dissipation de chaleur dans les ordinateurs portables et les téléphones portables, aux éléments de refroidissement des voitures et des réfrigérateurs.
« Nous pensons que ce résultat est une étape pour stimuler le domaine, " dit Gang Chen, le professeur Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique au MIT, et un co-auteur principal sur le papier. "Notre plus grande vision est, ces propriétés des polymères peuvent créer de nouvelles applications et peut-être de nouvelles industries, et peut remplacer les métaux comme échangeurs de chaleur."
Les co-auteurs de Chen incluent l'auteur principal Yanfei Xu, avec Daniel Kraemer, Bai Song, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Migda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang, et Xiaobo Li du MIT, et Zhang Jiang du Laboratoire national d'Argonne.
En 2010, l'équipe a rapporté avoir réussi à fabriquer des fibres minces de polyéthylène qui étaient 300 fois plus conductrices thermiquement que le polyéthylène normal, et à peu près aussi conducteur que la plupart des métaux. leurs résultats, publié dans Nature Nanotechnology, a attiré l'attention de diverses industries, y compris les fabricants d'échangeurs de chaleur, processeurs informatiques, et même des voitures de course.
Il est vite devenu clair que, pour que les conducteurs polymères fonctionnent pour l'une de ces applications, les matériaux devraient passer des fibres ultrafines (une seule fibre mesurant un centième du diamètre d'un cheveu humain) à des films plus maniables.
« À ce moment-là, nous avons dit, plutôt qu'une seule fibre, on peut essayer de faire une feuille, " dit Chen. " Il s'est avéré que c'était un processus très ardu. "
Les chercheurs ont non seulement dû trouver un moyen de fabriquer des feuilles de polymère thermoconductrices, mais ils ont également dû fabriquer sur mesure un appareil pour tester la conduction thermique du matériau, ainsi que développer des codes informatiques pour analyser des images des structures microscopiques du matériau.
À la fin, l'équipe a pu fabriquer des films minces de polymère conducteur, en commençant par une poudre de polyéthylène du commerce. Normalement, la structure microscopique du polyéthylène et de la plupart des polymères ressemble à un enchevêtrement de chaînes moléculaires en forme de spaghetti. La chaleur a du mal à traverser ce désordre confus, ce qui explique les propriétés isolantes intrinsèques d'un polymère.
Xu et ses collègues ont cherché des moyens de démêler les nœuds moléculaires du polyéthylène, pour former des chaînes parallèles le long desquelles la chaleur peut mieux conduire. Pour faire ça, ils ont dissous de la poudre de polyéthylène dans une solution qui a incité les chaînes enroulées à se dilater et à se démêler. Un système d'écoulement sur mesure a démêlé davantage les chaînes moléculaires, et recracher la solution sur une plaque refroidie à l'azote liquide pour former un film épais, qui a ensuite été placé sur une machine à étirer rouleau à rouleau qui a chauffé et étiré le film jusqu'à ce qu'il soit plus fin qu'une pellicule de plastique.
L'équipe a ensuite construit un appareil pour tester la conduction thermique du film. Alors que la plupart des polymères conduisent la chaleur à environ 0,1 à 0,5 watts par mètre par kelvin, Xu a découvert que le nouveau film de polyéthylène mesurait environ 60 watts par mètre par kelvin. (Diamant, le meilleur matériau thermoconducteur, arrive vers 2h, 000 watts par mètre par kelvin, tandis que la céramique mesure environ 30, et de l'acier, environ 15.) Il s'avère que, le film de l'équipe est deux ordres de grandeur plus conducteur thermiquement que la plupart des polymères, et aussi plus conducteur que l'acier et la céramique.
Pour comprendre pourquoi ces films de polyéthylène technique ont une conductivité thermique si inhabituellement élevée, l'équipe a mené des expériences de diffusion des rayons X à la source avancée de photons (APS) du département américain de l'Énergie au laboratoire national d'Argonne.
« Ces expériences, dans l'une des installations de rayonnement X synchrotron les plus brillantes au monde, nous permettent de voir les détails nanoscopiques dans les fibres individuelles qui composent le film étiré, " dit Jiang.
En imageant les films ultrafins, les chercheurs ont observé que les films présentant une meilleure conduction thermique étaient constitués de nanofibres avec moins de chaînes enroulées de manière aléatoire, par rapport à ceux des polymères courants, qui ressemblent à des spaghettis emmêlés. Leurs observations pourraient aider les chercheurs à concevoir des microstructures polymères pour conduire efficacement la chaleur.
"Ce travail de rêve s'est finalement réalisé, " dit Xu.
Aller de l'avant, les chercheurs cherchent des moyens de fabriquer des conducteurs thermiques polymères encore meilleurs, en ajustant le processus de fabrication et en expérimentant différents types de polymères.
Zhou souligne que le film de polyéthylène de l'équipe ne conduit la chaleur que le long des fibres qui composent le film. Un tel conducteur de chaleur unidirectionnel pourrait être utile pour évacuer la chaleur dans une direction spécifiée, à l'intérieur d'appareils tels que les ordinateurs portables et autres appareils électroniques. Mais idéalement, il dit que le film devrait dissiper la chaleur plus efficacement dans n'importe quelle direction.
"Si nous avons un polymère isotrope avec une bonne conductivité thermique, alors nous pouvons facilement mélanger ce matériau dans un composite, et nous pouvons potentiellement remplacer beaucoup de matériaux conducteurs, " dit Zhou. " Nous cherchons donc une meilleure conduction de la chaleur dans les trois dimensions. "
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
