Los polímeros suelen ser el material de referencia para el aislamiento térmico. Piense en un guante de cocina de silicona, o una taza de café de poliestireno, ambos fabricados con materiales poliméricos que son excelentes para atrapar el calor.

Ahora los ingenieros del MIT han cambiado la imagen del aislante de polímero estándar, mediante la fabricación de películas delgadas de polímero que conducen el calor, una capacidad normalmente asociada con los metales. En experimentos, encontraron las películas, que son más delgados que la envoltura de plástico, Conducen el calor mejor que muchos metales, incluyendo acero y cerámica.

Los resultados del equipo, publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , puede estimular el desarrollo de aislantes poliméricos tan ligeros, flexible, y alternativas resistentes a la corrosión a los tradicionales conductores de calor metálicos, para aplicaciones que van desde materiales disipadores de calor en computadoras portátiles y teléfonos celulares, a los elementos de enfriamiento en automóviles y refrigeradores.

"Creemos que este resultado es un paso para estimular el campo, "dice Gang Chen, el profesor Carl Richard Soderberg de ingeniería energética en el MIT, y coautor principal del artículo. "Nuestra visión más amplia es, estas propiedades de los polímeros pueden crear nuevas aplicaciones y quizás nuevas industrias, y puede reemplazar a los metales como intercambiadores de calor ".

Los coautores de Chen incluyen al autor principal Yanfei Xu, junto con Daniel Kraemer, Bai Song, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Migda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang, y Xiaobo Li del MIT, y Zhang Jiang del Laboratorio Nacional Argonne.

En 2010, el equipo informó sobre el éxito en la fabricación de fibras delgadas de polietileno que eran 300 veces más conductoras de calor que el polietileno normal, y tan conductivo como la mayoría de los metales. Sus resultados, publicado en Nature Nanotechnology, llamó la atención de diversas industrias, incluidos los fabricantes de intercambiadores de calor, procesadores de núcleo de computadora, e incluso autos de carrera.

Pronto quedó claro que, para que los conductores de polímero funcionen para cualquiera de estas aplicaciones, los materiales tendrían que escalar de fibras ultrafinas (una sola fibra mide una centésima parte del diámetro de un cabello humano) a películas más manejables.

"En ese momento dijimos, en lugar de una sola fibra, podemos intentar hacer una hoja, ", Dice Chen." Resulta que fue un proceso muy arduo ".

Los investigadores no solo tuvieron que encontrar una forma de fabricar láminas de polímero termoconductoras, pero también tuvieron que construir un aparato a medida para probar la conducción de calor del material, así como desarrollar códigos informáticos para analizar imágenes de las estructuras microscópicas del material.

En el final, el equipo pudo fabricar películas delgadas de polímero conductor, comenzando con un polvo de polietileno comercial. Normalmente, la estructura microscópica del polietileno y la mayoría de los polímeros se asemeja a una maraña de cadenas moleculares en forma de espagueti. El calor tiene dificultades para fluir a través de este lío revuelto, lo que explica las propiedades aislantes intrínsecas de un polímero.

Xu y sus colegas buscaron formas de desenredar los nudos moleculares del polietileno, para formar cadenas paralelas a lo largo de las cuales el calor puede conducir mejor. Para hacer esto, disolvieron polvo de polietileno en una solución que hizo que las cadenas enrolladas se expandieran y desenredaran. Un sistema de flujo hecho a medida desenredó aún más las cadenas moleculares, y escupir la solución en una placa enfriada con nitrógeno líquido para formar una película gruesa, que luego se colocó en una máquina de estirado de rollo a rollo que calentaba y estiraba la película hasta que era más delgada que la envoltura de plástico.

Luego, el equipo construyó un aparato para probar la conducción de calor de la película. Si bien la mayoría de los polímeros conducen el calor entre 0,1 y 0,5 vatios por metro por kelvin, Xu descubrió que la nueva película de polietileno medía alrededor de 60 vatios por metro por kelvin. (Diamante, el mejor material conductor de calor, entra alrededor de las 2, 000 vatios por metro por kelvin, mientras que la cerámica mide unos 30, y acero, alrededor de 15.) Resulta que La película del equipo es dos órdenes de magnitud más conductora térmica que la mayoría de los polímeros, y también más conductivo que el acero y la cerámica.

Para comprender por qué estas películas de polietileno de ingeniería tienen una conductividad térmica tan inusualmente alta, El equipo realizó experimentos de dispersión de rayos X en la Fuente de Fotones Avanzados (APS) del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Argonne.

"Estos experimentos, en una de las instalaciones de rayos X de sincrotrón más brillantes del mundo, nos permiten ver los detalles nanoscópicos dentro de las fibras individuales que componen la película estirada, "Dice Jiang.

Al tomar imágenes de las películas ultrafinas, los investigadores observaron que las películas que exhibían una mejor conducción de calor consistían en nanofibras con cadenas enrolladas menos al azar, frente a los de los polímeros comunes, que se asemejan a espaguetis enredados. Sus observaciones podrían ayudar a los investigadores a diseñar microestructuras de polímeros para conducir el calor de manera eficiente.

"Este trabajo soñado se hizo realidad al final, "Dice Xu.

Avanzando, los investigadores están buscando formas de fabricar conductores de calor de polímeros aún mejores, ajustando el proceso de fabricación y experimentando con diferentes tipos de polímeros.

Zhou señala que la película de polietileno del equipo conduce el calor solo a lo largo de las fibras que componen la película. Un conductor de calor unidireccional de este tipo podría ser útil para llevar el calor en una dirección específica, dispositivos internos como computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos. Pero idealmente dice que la película debería disipar el calor de manera más eficaz en cualquier dirección.

"Si tenemos un polímero isotrópico con buena conductividad térmica, entonces podemos mezclar fácilmente este material en un compuesto, y potencialmente podemos reemplazar muchos materiales conductores, "Dice Zhou." Así que estamos buscando una mejor conducción de calor en las tres dimensiones ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.