Los polímeros se utilizan regularmente como aislantes térmicos para todo, desde mantener calientes las bebidas hasta mantener fríos los componentes electrónicos sensibles. En algunos casos, Los polímeros incluso se pueden usar como conductores térmicos para permitir un calentamiento o enfriamiento eficiente.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han diseñado y demostrado un nuevo tipo de polímero que demuestra una conductividad térmica conmutable controlada por la luz. El material tiene el potencial de encaminar la conducción de calor a demanda y permitir nuevos, más inteligente formas de controlar el calor.

Los hallazgos se informan en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

"Los polímeros se utilizan ampliamente en sistemas de ingeniería, pero estos materiales casi siempre se han considerado térmicamente estáticos. El descubrimiento de polímeros que pueden activarse ópticamente para cambiar rápidamente entre los estados de conducción térmica y aislamiento abrirá oportunidades completamente nuevas en la ingeniería térmica. "explicó Paul Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales (MatSE) y director del Laboratorio de Investigación de Materiales de Illinois.

"A lo mejor de nuestro conocimiento, esta es la primera observación de una transición cristal-líquido reversible activada por luz en cualquier material polimérico. El hallazgo particularmente notable en este estudio es el rápido, cambio de 3 veces reversible en la conductividad térmica asociado con la transición de fase, "explicó Jungwoo Shin, un doctorado en MatSE estudiante en Illinois.

El polímero de conmutación térmica desarrollado por el equipo de investigación de Illinois demuestra un poderoso control de las propiedades termofísicas de un polímero en respuesta a la luz. Esta capacidad se origina a partir de una molécula fotosensible, azobenceno, que puede ser ópticamente excitado por luz ultravioleta (UV) y visible.

"Sintetizamos un polímero complejo funcionalizado con grupos azobenceno sensibles a la luz. Al iluminar con luz ultravioleta y visible, podríamos cambiar la forma del grupo azobenceno, modular la fuerza de unión entre cadenas e impulsar una transición reversible entre cristal y líquido, "dijo Jaeuk Sung, un doctorado en MatSE estudiante en Illinois.

Para capturar las transiciones de conductividad térmica de los polímeros de azobenceno bajo iluminación de luz, el equipo de investigación de Illinois utilizó una técnica llamada termorreflectancia en el dominio del tiempo (TDTR) desarrollada por David Cahill, profesor de MatSE en Illinois.

"La forma en que se transporta el calor en el polímero está relacionada con la difusión de modos vibratorios. En cristales ordenados, estos modos vibracionales viajan mucho más lejos de lo que se observa en líquidos desordenados. Como resultado, un cambio extremo en el orden molecular del polímero puede alterar significativamente la conductividad térmica, "Dijo David Cahill.

Este cambio extremo en el orden macromolecular, p.ej., cristal a líquido, es raro en la naturaleza, y no se ha informado previamente para ningún sistema polimérico en respuesta a la luz. Por lo tanto, Desentrañar el mecanismo de la transición de fase activada por la luz fue fundamental para comprender el comportamiento único del polímero.

"Pudimos observar que, tras la exposición a la luz, este material cambia rápidamente de un estado a otro con propiedades de transporte de calor dramáticamente distintas. Utilizamos la dispersión de rayos X basada en sincrotrón para dilucidar la estructura asociada con cada estado durante la transformación, cerrando el ciclo de síntesis-caracterización-función para este sofisticado polímero, "agregó Cecilia Leal, profesor de MatSE en Illinois.

"Mantener un dispositivo eléctrico caliente es tan importante como mantenerlo frío. Los materiales con tal conductividad térmica conmutable permitirían formas de mantener seguros los sistemas electrificados, confiable y eficiente incluso en condiciones extremas ", explicó Andrew Alleyne, el director del Centro de Investigación de Ingeniería para la Optimización de Energía de Sistemas Electrotérmicos (POETS) patrocinado por la National Science Foundation (NSF) que apoyó este trabajo, y profesor de Ingeniería y Ciencias Mecánicas en Illinois.

"La capacidad de cambiar rápidamente las propiedades térmicas de un polímero mediante la exposición a la luz abre nuevas y emocionantes rutas para el control del transporte térmico y la conversión de energía a nivel molecular". "agregó Nancy Sottos, profesor de MatSE en Illinois.

Este hallazgo proporciona un ejemplo sorprendente de cómo se puede utilizar la luz para controlar la conductividad térmica de los polímeros. Una mejor comprensión de la relación física entre la conductividad térmica y el orden macromolecular también ayudaría a superar los límites de los polímeros tradicionales.