Исследователи изготовили тонкие полимерные пленки, которые проводят тепло лучше многих металлов и керамики. Материал можно использовать для рассеивания и отвода тепла в электронике, промышленном оборудовании и автомобилях.
Команде инженеров из Массачусетского технологического института удалось кардинально изменить свойства стандартного полимерного изолятора. Изначально они создали тонкие полиэтиленовые волокна, которые проводили тепло в 300 раз лучше, чем обычный полиэтилен. Однако вскоре стало ясно, что для практического применения материала в различных сферах он должен иметь вид тонких листов.
Проблема в том, что структура большинства полимеров состоит из переплетенных молекулярных цепей, которые отлично задерживают тепло. Это обуславливает их изолирующие свойства.
Для того чтобы избавиться от этих узлов, ученые растворили порошок полиэтилена в специальном растворе, в котором спиральные цепи расширяются и распутываются. Далее с помощью специально созданной системы смесь наносили на пластину, охлаждаемую жидким азотом. В результате получалась толстая пленка, которую затем помещали на волочильный станок, где ее нагревали и растягивали, пока она не становилась тоньше обычного полиэтилена.
В ходе испытаний было установлено, что показатель удельной теплопроводности нового полимера составляет 60 Вт/(м∙К). Для сравнения у стали этот показатель равен 15, а у керамики 30. Полученный материал проводит тепло только по длине волокон. Такую однонаправленность можно использовать для отвода энергии только в нужном направлении внутри ноутбуков или мобильных телефонов.
Изучив структуру новой пленки с помощью рентгеновского излучения, исследователи подтвердили, что необычно высокая теплопроводность обусловлена меньшей степенью свернутости спирали цепей. Поэтому в дальнейшем команда продолжит совершенствовать технологию изготовления и будет экспериментировать с различными типами полимеров.
На изображении слева показано скопление молекулярных цепей, а справа прямые нити, которые хорошо проводят тепло.
В идеале пленка сможет рассеивать тепло более эффективно в любом направлении. Если ученым удастся изготовить такой полимер, то потенциально он сможет заменить множество существующих теплопроводящих материалов. Разработкой уже заинтересовались производители теплообменников, компьютерного оборудования и гоночных автомобилей.
Недавно ученые также разработали технологию производства прозрачных и легких полиэтиленовых пленок, которые по показателям прочности и упругости близки к алюминию.
текст: Илья Бауэр, фото: MIT, alicdn