厲害了！工程師將塑料絕緣體轉變為熱導體

【博科園-科學科普】塑料是極好的絕緣體，這意味著它們能有用地接收熱量——這是一種可以在咖啡杯套筒中具有優勢的品質。但這種絕緣機能在筆記本和移動德律風的塑料外殼等產物中是不太抱負的，因為這些塑料外殼可以過熱，部門原因是這些籠蓋物會捕獲到設備發生的熱量。此刻麻省理工學院的一個工程師團隊開辟出了一種聚合物熱傳導材料——一種塑料材料，但與直覺相反，它是一種導熱體，可以散熱而不是絕緣。這種新型聚合物既簡便又矯捷，它的熱量是年夜大都貿易利用的聚合物的10倍。

麻省理工學院的研究人員設計了一種新的方式，經由過程化學氣相沉積，在分子程度上設計出聚合物布局。這許可剛性的，有序的鏈，相對于凌亂的，“意年夜利面條狀的線”，凡是構成聚合物。這種鏈狀布局使熱運輸沿著鏈和跨鏈。圖片版權：MIT / Chelsea Turner

傳統的聚合物既具有電性，又具有隔熱機能。麻省理工學院機械工程系的博士后徐延飛(音譯)說：導電聚合物的發現和成長已經催生了新型的電子應用，如柔性顯示器和可穿戴生物傳感器。聚合物可以更有用地進行熱傳導和散熱。聚合物可以被制當作下一代熱辦理應用的熱導體，好比對現有的電子產物外殼進行自我冷卻。徐博士和一組博士后、研究生和教師在今天的《科學前進》雜志上頒發了他們的研究當作果。團隊當作員包羅王曉雪，他與徐佳偉、周嘉偉、白松、伊麗莎白·李、塞繆爾·休伯曼等人配合進獻了研究當作果。張江，阿貢國度嘗試室的物理學家;麻省理工學院的副教務長凱倫·格里森，以及亞歷山年夜·邁克爾·卡瑟化學工程傳授，陳剛，麻省理工學院機械工程系系本家兒任，卡爾·理查德·索德伯格電力工程傳授。

若是你放年夜一個通俗聚合物的微不雅布局，不難看出為什么材料會如斯輕易地接收熱量。在微不雅層面上，聚合物由長鏈單體或分子單位構成，毗連端到結尾。這些鏈條凡是環繞糾纏在近似意年夜利面條的球里。熱載體很難在紊亂無序的情況中移動，而且輕易陷入聚合體的紊亂和糾結中。然而研究人員試圖將這些自然的熱絕緣體改變當作導體。對于電子學來說，聚合物可以供給一種怪異的屬性組合，因為它們簡便、矯捷、化學惰性。聚合物也是電絕緣的，這意味著它們不導電，是以可以用來防止筆記本和移動德律風等設備在用戶手中短路。

近年來包羅陳氏集團在內的幾家集團都設計了聚合物導體，該集團在2010年發現了一種從尺度的聚乙烯樣品中制造出“ultradrawn納米纖維”的方式。這項手藝將混亂無序的聚合物拉伸當作超薄的、有序的鏈，就像解開一串節日燈一樣。由此發生的鏈條使熱量可以等閑地穿過材料，而聚合物的熱量是通俗塑料的300倍。可是絕緣體改變為導體只能在一個偏向上散熱，沿著每個聚合物鏈的長度。熱不克不及在聚合物鏈之間傳布，因為弱范德華力——這一現象素質上吸引了兩個或兩個以上的分子。徐冰想知道是否可以把一種聚合物材料分離到各個偏向。

徐佳認為今朝的研究是為了設計出高導熱性的聚合物，同時進行分子內和分子間的研究——她但愿這種方式可以或許在聚合物鏈之間實現高效的熱傳導。該團隊最終發生了一種稱為多噻吩的熱導聚合物，這種聚合物凡是用于很多電子設備中。標的目的四面八方發出熱量的暗示：嘗試室當作員和Gleason和她的嘗試室當作員合作開辟了一種新的方式，操縱氧化化學氣相沉積(oCVD)來設計一種聚合物導體，使兩個蒸汽被定標的目的到一個腔室，并在一個基板上彼此感化并形當作一個薄膜。反映是可以或許制造出剛性的聚合物鏈，而不是通俗聚合物中扭曲的、近似意年夜利面條的鏈。

在這種環境下，Wang將氧化劑注入到一個腔體中，同時還有一種單體分子的蒸汽——當被氧化時，它會形當作聚合物的鏈。我們在硅/玻璃基板上蒔植聚合物，氧化劑和單體被吸擁護反映，操縱CVD手藝的怪異的自模板發展機制。王建造了相對年夜規模的樣品，每一個尺寸都是2平方厘米——大要是拇指指紋的巨細。因為這個樣本是如斯遍及地利用，就像太陽能電池、有機場效應晶體管和有機發光二極管一樣，若是這種材料可以被制當作熱傳導，它就能在所有有機電子產物中散熱。

研究小組操縱時域熱反射手藝測量了每個樣本的熱導率——一種將激光射到材料上加熱概況的手藝，然后經由過程測量材料的反射率來監測其概況溫度的下降，因為熱量會擴散到材猜中。概況溫度衰減的時候分布與熱擴散的速度有關，由此可以計較出熱導率。平均而言，聚合物樣品可以或許以每開爾文2瓦特的速度進行加熱——比傳統聚合物能達到的速度快10倍。在Argonne國度嘗試室，Jiang和Xu發現聚合物樣品幾乎是各標的目的同性的，或者是平均的。這表白材料的機能，如導熱性，也應該是近乎平均的。按照這一推論，研究小組展望材料應該在各個偏向上平均地傳導熱量，增添其散熱潛力。

瞻望將來，該團隊將繼續摸索聚合物電導率背后的根基物理道理，以及若何使材料用于電子產物和其他產物，如電池外殼和印制電路板的薄膜。可以直接將這種材料涂在硅晶片上，并將其涂在分歧的電子設備上。若是我們能理解在這些無序布局中熱傳輸是若何運作的，也許也可以鞭策更高的導熱系數。”然后我們可以幫忙解決這個遍及存在的過熱問題，并供給更好的熱辦理。

常識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Science Advances

內容：經“博科園”鑒定合適今本家兒流科學

來自：麻省理工學院

編譯：光量子

審校：博科園

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