聚合物通常是保温材料的首选材料。想象一下硅胶烤箱手套或聚苯乙烯泡沫塑料咖啡杯，两者都是由聚合物材料制成，具有优异的捕集热量。
现在，麻省理工学院的工程师通过制造导热的薄聚合物薄膜 - 通常与金属相关的能力，翻开了标准聚合物绝缘体的图片。在实验中，他们发现比薄膜更薄的薄膜比许多金属(包括钢和陶瓷)更好地传导热量。
该团队的成果发表在Nature Communications杂志上，可能会促进聚合物绝缘子的发展，作为传统金属导热体的轻质，柔韧和耐腐蚀替代品，适用于从笔记本电脑和手机中的散热材料到冷却元件的应用。汽车和冰箱。
“我们认为这一结果是刺激这一领域的一步，”麻省理工学院动力工程学教授卡尔理查德索德伯格和该论文的高级合着者陈刚说。“我们更大的愿景是，聚合物的这些特性可以创造新的应用，也许是新的产业，并可能取代金属作为热交换器。”
Chen的合着者包括主要作者Yanfei Xu，以及Daniel Kraemer，Bai Song，Jiawei Zhou，James Loomis，Jianjian Wang，Migda Li，Hadi Ghasemi，Xiaopeng Huang，和Xiaobo Li来自麻省理工学院，以及Argonne国家实验室的张江。
2010年，该团队报告说，制造聚乙烯薄纤维的成功率是普通聚乙烯的300倍，并且与大多数金属一样具有导电性。他们在Nature Nanotechnology上发表的研究结果引起了各行业的关注，包括热交换器，计算机核心处理器甚至赛车制造商。
很快就发现，为了使聚合物导体适用于任何这些应用，材料必须从超薄纤维(单根纤维直径为人类头发直径的百分之一)扩大到更易处理的薄膜。 。
“当时我们说，而不是一根纤维，我们可以尝试制作一张纸，”陈说。“事实证明这是一个非常艰巨的过程。”
研究人员不仅要想出一种制造导热聚合物片的方法，而且他们还必须定制一种设备来测试材料的热传导，并开发计算机代码来分析材料的微观图像。结构。
最后，该团队能够制造导电聚合物薄膜，从商业聚乙烯粉末开始。通常，聚乙烯和大多数聚合物的微观结构类似于意大利面条状的分子链缠结。热量难以流过这个乱七八糟的混乱，这解释了聚合物的固有绝缘性能。
徐和她的同事们想方设法解开聚乙烯的分子结，形成平行链，热量可以更好地传导。为此，他们将聚乙烯粉末溶解在溶液中，促使卷材链膨胀并解开。定制的流动系统进一步解开分子链，并将溶液喷出到液氮冷却板上形成厚膜，然后将其放置在卷对卷拉丝机上，加热并拉伸薄膜直到它比保鲜膜更薄。
然后该团队建立了一个测试薄膜热传导的装置。虽然大多数聚合物以每米开尔文0.1至0.5瓦的热量传导热量，但徐发现新的聚乙烯薄膜的测量值约为每米开尔文60瓦。(钻石，最好的导热材料，每米开尔文大约2000瓦，而陶瓷大约30瓦，钢铁大约15瓦。)事实证明，该团队的电影导热性能提高了两个数量级。比大多数聚合物，还比钢和陶瓷更具导电性。
为了解这些工程聚乙烯薄膜为何具有如此高的导热率，该团队在美国能源部的阿贡国家实验室的先进光子源(APS)进行了X射线散射实验。
“这些实验，在世界上最明亮的同步加速器X射线设备之一，让我们可以看到构成拉伸薄膜的单根纤维内的纳米级细节，”江说。
通过对超薄薄膜进行成像，研究人员观察到，具有更好热传导性的薄膜由纳米纤维组成，其随机卷曲链较少，而普通聚合物则类似于缠结的意大利面条。他们的观察可以帮助研究人员设计聚合物微结构以有效地传导热量。
“这个梦想的工作最终实现了，”徐说。
展望未来，研究人员正在寻找通过调整制造工艺和试验不同类型聚合物来制造更好的聚合物导热体的方法。
周指出，该团队的聚乙烯薄膜仅沿构成薄膜的纤维长度传导热量。这种单向热导体可用于在诸如膝上型电脑和其他电子设备之类的设备内以特定方向传送热量。但理想情况下，他说这部电影应该在任何方向上更有效地散热。
“如果我们的各向同性聚合物具有良好的导热性，那么我们就可以很容易地将这种材料混合成复合材料，我们可以替代大量的导电材料，”周说。“因此，我们正在研究所有三个方面的更好的热传导。”