Los plásticos son excelentes aislantes, lo que significa que pueden atrapar el calor de manera eficiente, una cualidad que puede ser una ventaja en algo como la funda de una taza de café. Pero esta propiedad aislante es menos deseable en productos como carcasas de plástico para computadoras portátiles y teléfonos móviles, que puede sobrecalentarse, en parte porque las cubiertas atrapan el calor que producen los dispositivos.

Ahora, un equipo de ingenieros del MIT ha desarrollado un conductor térmico de polímero, un material plástico que, sin embargo, de forma contraria a la intuición, funciona como conductor de calor, disipando el calor en lugar de aislarlo. Los nuevos polímeros, que son ligeros y flexibles, puede conducir 10 veces más calor que la mayoría de los polímeros utilizados comercialmente.

"Los polímeros tradicionales son aislantes eléctrica y térmicamente. El descubrimiento y desarrollo de polímeros conductores de electricidad ha dado lugar a nuevas aplicaciones electrónicas, como pantallas flexibles y biosensores portátiles, "dice Yanfei Xu, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Nuestro polímero puede conducir térmicamente y eliminar el calor de manera mucho más eficiente. Creemos que los polímeros podrían convertirse en conductores de calor de próxima generación para aplicaciones avanzadas de gestión térmica, como una alternativa de autorefrigeración a las carcasas de componentes electrónicos existentes ".

Xu y un equipo de postdoctorados, estudiantes de posgrado, y facultad, han publicado sus resultados hoy en Avances de la ciencia . El equipo incluye a Xiaoxue Wang, que contribuyó igualmente a la investigación con Xu, junto con Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, y Samuel Huberman; Zhang Jiang, físico del Laboratorio Nacional Argonne; Karen Gleason, rector asociado del MIT y profesor de Ingeniería Química Alexander I. Michael Kasser; y Gang Chen, jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y profesor de Ingeniería de Energía Carl Richard Soderberg.

Estirar espaguetis

Si tuviera que acercar la microestructura de un polímero promedio, No sería difícil ver por qué el material atrapa el calor con tanta facilidad. A nivel microscópico, los polímeros están hechos de largas cadenas de monómeros, o unidades moleculares, enlazado de un extremo a otro. Estas cadenas a menudo se enredan en una bola parecida a un espagueti. Los portadores de calor tienen dificultades para moverse a través de este lío desordenado y tienden a quedar atrapados dentro de los nudos y gruñidos poliméricos.

Y todavía, Los investigadores han intentado convertir estos aislantes térmicos naturales en conductores. Para la electrónica, los polímeros ofrecerían una combinación única de propiedades, como son livianos, flexible, y químicamente inerte. Los polímeros también son eléctricamente aislantes, lo que significa que no conducen electricidad, y, por lo tanto, se puede utilizar para evitar que dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos móviles se cortocircuiten en las manos de sus usuarios.

Varios grupos han diseñado conductores de polímero en los últimos años, incluido el grupo de Chen, que en 2010 inventó un método para crear "nanofibras ultraestiradas" a partir de una muestra estándar de polietileno. La técnica estiró el desorden, polímeros desordenados en ultrafinos, cadenas ordenadas, muy parecido a desenredar una cadena de luces navideñas. Chen descubrió que las cadenas resultantes permitían que el calor saltara fácilmente a lo largo y a través del material, y que el polímero condujo 300 veces más calor en comparación con los plásticos ordinarios.

Pero el aislante convertido en conductor solo podía disipar el calor en una dirección, a lo largo de cada cadena de polímero. El calor no podía viajar entre las cadenas de polímero, debido a fuerzas débiles de Van der Waals, un fenómeno que esencialmente atrae dos o más moléculas cerca una de la otra. Xu se preguntó si se podría hacer un material polimérico para dispersar el calor, en todas direcciones.

Xu concibió el estudio actual como un intento de diseñar polímeros con alta conductividad térmica, mediante la ingeniería simultánea de fuerzas intramoleculares e intermoleculares, un método que esperaba permitiría un transporte de calor eficiente a lo largo y entre las cadenas de polímeros.

El equipo finalmente produjo un polímero conductor de calor conocido como politiofeno, un tipo de polímero conjugado que se usa comúnmente en muchos dispositivos electrónicos.

Toques de calor en todas direcciones.

Xu, Chen, y los miembros del laboratorio de Chen se asociaron con Gleason y los miembros de su laboratorio para desarrollar una nueva forma de diseñar un conductor de polímero utilizando la deposición de vapor químico oxidativo (oCVD), mediante el cual dos vapores se dirigen a una cámara y sobre un sustrato, donde interactúan y forman una película. "Nuestra reacción fue capaz de crear cadenas rígidas de polímeros, en lugar de lo retorcido, hebras parecidas a espaguetis en polímeros normales ", dice Xu.

En este caso, Wang hizo fluir el oxidante a una cámara, junto con un vapor de monómeros, unidades moleculares individuales que, cuando se oxida, se forman en las cadenas conocidas como polímeros.

"Cultivamos los polímeros en sustratos de silicio / vidrio, sobre el que se adsorben y reaccionan el oxidante y los monómeros, Aprovechando el mecanismo de crecimiento único basado en plantillas propias de la tecnología CVD, "Dice Wang.

Wang produjo muestras a relativamente gran escala, cada uno mide 2 centímetros cuadrados, aproximadamente el tamaño de una huella digital.

"Debido a que esta muestra se usa de manera tan ubicua, como en las células solares, transistores orgánicos de efecto de campo, y diodos emisores de luz orgánicos, si este material se puede fabricar para que sea térmicamente conductor, puede disipar el calor en toda la electrónica orgánica, "Dice Xu.

El equipo midió la conductividad térmica de cada muestra utilizando reflectancia térmica en el dominio del tiempo, una técnica en la que disparan un láser sobre el material para calentar su superficie y luego monitorean la caída en la temperatura de su superficie midiendo la reflectancia del material a medida que el calor se propaga al interior de la superficie. material.

"El perfil temporal de la caída de la temperatura de la superficie está relacionado con la velocidad de propagación del calor, a partir del cual pudimos calcular la conductividad térmica, "Dice Zhou.

De media, las muestras de polímero pudieron conducir calor a aproximadamente 2 vatios por metro por kelvin, aproximadamente 10 veces más rápido de lo que pueden lograr los polímeros convencionales. En el Laboratorio Nacional Argonne, Jiang y Xu encontraron que las muestras de polímeros parecían casi isotrópicas, o uniforme. Esto sugiere que las propiedades del material, como su conductividad térmica, también debe ser casi uniforme. Siguiendo este razonamiento, el equipo predijo que el material debería conducir el calor igualmente bien en todas las direcciones, aumentando su potencial disipador de calor.

Avanzando, el equipo continuará explorando la física fundamental detrás de la conductividad de los polímeros, así como formas de permitir que el material se utilice en electrónica y otros productos, como carcasas para baterías, y películas para placas de circuito impreso.

"Podemos revestir este material de manera directa y conforme sobre obleas de silicio y diferentes dispositivos electrónicos", dice Xu. "Si podemos entender cómo [funciona] el transporte térmico en estas estructuras desordenadas, tal vez también podamos presionar por una conductividad térmica más alta. Entonces podemos ayudar a resolver este problema de sobrecalentamiento generalizado, y proporcionar una mejor gestión térmica ".