Los plásticos avanzados podrían marcar el comienzo de los más ligeros, más económico, componentes de productos más eficientes desde el punto de vista energético, incluidos los utilizados en vehículos, LED y computadoras, si tan solo fueran mejores para disipar el calor.

Una nueva técnica que puede cambiar la estructura molecular del plástico para ayudarlo a eliminar el calor es un paso prometedor en esa dirección.

Desarrollado por un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan en ciencia de materiales e ingeniería mecánica y detallado en un nuevo estudio publicado en Avances de la ciencia , el proceso es económico y escalable.

Es probable que el concepto se pueda adaptar a una variedad de otros plásticos. En pruebas preliminares, hizo un polímero tan termoconductor como el vidrio, aún mucho menos que los metales o la cerámica, pero seis veces mejor para disipar el calor que el mismo polímero sin el tratamiento.

"Los plásticos están reemplazando a los metales y la cerámica en muchos lugares, pero son conductores de calor tan pobres que nadie los considera para aplicaciones que requieren que el calor se disipe de manera eficiente, "dijo Jinsang Kim, Profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la UM. "Estamos trabajando para cambiar eso aplicando la ingeniería térmica a los plásticos de una manera que no se ha hecho antes".

El proceso es una desviación importante de los enfoques anteriores, que se han centrado en añadir cargas metálicas o cerámicas a los plásticos. Esto ha tenido un éxito limitado; se debe agregar una gran cantidad de rellenos, lo cual es caro y puede cambiar las propiedades del plástico de formas indeseables. En lugar de, la nueva técnica utiliza un proceso que diseña la estructura del propio material.

Los plásticos están hechos de largas cadenas de moléculas que están enrolladas y enredadas como un cuenco de espaguetis. A medida que el calor viaja a través del material, debe viajar a lo largo y entre estas cadenas, un arduo, Travesía indirecta que impide su avance.

El equipo, que también incluye al profesor asociado de ingeniería mecánica de la UM Kevin Pipe, El investigador graduado en ingeniería mecánica Chen Li y el estudiante graduado en ingeniería y ciencias de los materiales Apoorv Shanker, utilizaron un proceso químico para expandir y enderezar las cadenas de moléculas. Esto le dio a la energía térmica una ruta más directa a través del material. Para lograr esto, empezaron con un polímero típico, o plástico. Primero disolvieron el polímero en agua, luego agregó electrolitos a la solución para elevar su pH, haciéndolo alcalino.

Los eslabones individuales de la cadena del polímero, llamados monómeros, adquieren una carga negativa, lo que hace que se repelan entre sí. Mientras se separan despliegan las tensas bobinas de la cadena. Finalmente, la solución de agua y polímero se rocía sobre las placas mediante un proceso industrial común llamado centrifugado, que lo reconstituye en una película plástica sólida.

Las cadenas de moléculas desenrolladas dentro del plástico facilitan que el calor viaje a través de él. El equipo también descubrió que el proceso tiene un beneficio secundario:refuerza las cadenas de polímero y las ayuda a empaquetarse con más fuerza. haciéndolos aún más conductivos térmicamente.

"Las moléculas de polímero conducen el calor al vibrar, y una cadena de moléculas más rígida puede vibrar más fácilmente, "Dijo Shanker." Piense en una cuerda de guitarra muy estirada en comparación con un trozo de hilo suelto enrollado. La cuerda de la guitarra vibrará cuando se puntee, el cordel no lo hará. Las cadenas de moléculas de polímero se comportan de manera similar ".

Pipe dice que el trabajo puede tener consecuencias importantes debido a la gran cantidad de aplicaciones de polímeros en las que la temperatura es importante.

"Los investigadores han estudiado durante mucho tiempo formas de modificar la estructura molecular de los polímeros para diseñar su mecánica, propiedades ópticas o electrónicas, pero muy pocos estudios han examinado enfoques de diseño molecular para diseñar sus propiedades térmicas, "Pipe dijo." Si bien el flujo de calor en los materiales es a menudo un proceso complejo, incluso pequeñas mejoras en las conductividades térmicas de los polímeros pueden tener un gran impacto tecnológico ".

El equipo ahora está buscando hacer compuestos que combinen la nueva técnica con varias otras estrategias de disipación de calor para aumentar aún más la conductividad térmica. También están trabajando para aplicar el concepto a otros tipos de polímeros más allá de los utilizados en esta investigación. Es probable que falten varios años para un producto comercial.

"Estamos estudiando el uso de disolventes orgánicos para aplicar esta técnica a polímeros no solubles en agua, "Dijo Li." Pero creemos que el concepto de usar electrolitos para diseñar polímeros térmicamente es una idea versátil que se aplicará a muchos otros materiales ".

El estudio se titula "Alta conductividad térmica en polímeros amorfos diseñados electrostáticamente".