Les polymères sont utilisés pour développer divers matériaux, comme les plastiques, nylons et caoutchoucs. Dans leur forme la plus basique, ils sont constitués de plusieurs molécules identiques réunies à plusieurs reprises, comme une chaîne. Des molécules d'ingénierie pour s'unir de manière spécifique peuvent dicter les caractéristiques du polymère résultant.

En utilisant cette méthode, Sheng Shen, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon, et son équipe de recherche a créé un régulateur thermique polymère qui peut rapidement se transformer de conducteur en isolant et vice-versa. Quand c'est un chef d'orchestre, la chaleur se transfère rapidement. Quand c'est un isolant, la chaleur se transfère beaucoup plus lentement. En basculant entre les deux états, le régulateur thermique peut contrôler sa propre température, ainsi que la température de son environnement, comme un réfrigérateur ou un ordinateur.

Pour passer d'une conductivité élevée à faible, la structure même du polymère doit changer. Cette transformation est activée uniquement par la chaleur. Le polymère commence "avec une structure cristalline hautement ordonnée, " dit Shen. " Mais une fois que vous augmentez la température de la fibre polymère à environ 340 Kelvin, alors la structure moléculaire change et devient hexagonale."

Les résultats ont été publiés dans Avancées scientifiques dans un article intitulé « Régulateur thermique polymère à contraste élevé et réversible par transition de phase structurelle ».

La transformation se produit parce que la chaleur cible les liaisons moléculaires. "La liaison des molécules devient assez faible, " dit Shen. " Ainsi les segments peuvent tourner. " Et une fois que les segments tournent, la structure devient désordonnée, réduisant considérablement sa conductivité thermique. Ce type de transition est connu sous le nom de transition solide-solide; bien que le polymère atteigne des températures proches de son point de fusion, il reste solide tout au long du processus.

Lors de l'étude de la transformation du polymère, Shen a concentré ses données sur la façon dont sa conductivité a changé. Il a également recueilli des données sur d'autres transitions de phase afin de pouvoir comparer les rapports. "Quand vous regardez tous les matériaux que nous avons sur Terre, le changement de conductivité est, au plus, un facteur quatre, " dit Shen. " Tiens, nous avons déjà découvert un nouveau matériau qui peut avoir un changement de conductivité d'environ 10."

En outre, le changement structurel peut se produire rapidement, dans une plage de 5 degrés Kelvin. C'est aussi réversible, qui lui permet d'être allumé et éteint comme un interrupteur. Il peut supporter des températures beaucoup plus élevées que les autres régulateurs thermiques, restant stable jusqu'à 560 degrés Kelvin. C'est dur de s'effondrer, il peut donc survivre à de nombreuses transitions. Et comme c'est à base de chaleur, il n'utilise pas autant de pièces mobiles que les méthodes de refroidissement classiques, le rendant beaucoup plus efficace.

Bien que cette recherche ait été explorée théoriquement dans le passé, Le travail de Shen est la première fois qu'il est montré expérimentalement. Shen pense que le polymère aura des applications dans le monde réel. "Ce contrôle des flux de chaleur à l'échelle nanométrique ouvre de nouvelles possibilités telles que le développement de dispositifs thermiques commutables, réfrigération à l'état solide, récupération de la chaleur perdue, circuits thermiques et informatique, " dit Shen.

Ce travail s'appuie sur des recherches antérieures dans le laboratoire de Shen, où son équipe a développé une nanofibre polymère résistante, poids léger, thermiquement conducteur, électriquement isolant et biocompatible, le tout à moins de 100 nanomètres de large.