Nuevas películas de polímero conducen calor en lugar de atraparlo

Los polímeros suelen ser el material de referencia para el aislamiento térmico.

Piense en un guante de silicona para el horno o una taza de café de espuma de poliestireno, ambos fabricados con materiales de polímero que son excelentes para atrapar el calor.

Ahora ingenieros de MIT han cambiado la imagen de aislante del polímero estándar, al fabricar películas de polímero delgadas que conducen el calor, una habilidad que normalmente se asocia con los metales.

En experimentos, encontraron que las películas, que son más delgadas que las envolturas de plástico, conducen el calor mejor que muchos metales, incluido el acero y la cerámica.

Los resultados del equipo, publicados en la revista Nature Communications, pueden estimular el desarrollo de aislantes de polímeros como alternativas ligeras, flexibles y resistentes a la corrosión a los conductores de calor metálicos tradicionales, para aplicaciones que van desde materiales disipadores de calor en computadoras portátiles y teléfonos celulares, hasta elementos de refrigeración en automóviles y frigoríficos.

“Creemos que este resultado es un paso para estimular el campo”, dice Gang Chen, profesor de ingeniería energética del Carl Richard Soderberg en el MIT, y uno de los principales coautores del artículo.

“Nuestra visión más amplia es que estas propiedades de los polímeros pueden crear nuevas aplicaciones y quizás nuevas industrias, y pueden 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 de Argonne National Laboratory.

En 2010, el equipo informó sobre el éxito en la fabricación de fibras finas de polietileno que eran 300 veces más térmicamente conductoras que el polietileno normal, y casi tan conductoras como la mayoría de los metales.

Sus resultados, publicados en Nature Nanotechnology, llamaron la atención de varias industrias, incluidos los fabricantes de intercambiadores de calor, procesadores de computadoras e incluso autos de carrera.

Pronto se hizo evidente que, para que los conductores de polímero funcionen para cualquiera de estas aplicaciones, los materiales tendrían que ser escalados desde fibras ultrafinas (una fibra única que mide una centésima parte del diámetro de un cabello humano) a películas más manejables. .

“En ese momento dijimos que, 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 manera de fabricar láminas de polímero conductor del calor, sino que también tuvieron que construir un aparato a medida para probar la conducción del calor del material, así como desarrollar códigos de computadora para analizar las imágenes microscópicas de la estructura del material.

Al 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 con forma de espagueti.

El calor tiene dificultades para fluir a través de este desorden, lo que explica las propiedades de aislamiento intrínseco 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 se puede conducir mejor.

Para hacer esto, disolvieron el polvo de polietileno en una solución que provocó que las cadenas enrolladas se expandieran y desenredaran.

Un sistema de flujo hecho a la medida desenredó aún más las cadenas moleculares y escupió la solución en una placa enfriada con nitrógeno líquido para formar una película gruesa, que luego se colocó en una máquina de dibujo rollo a rodillo que calentó y estiró la película. hasta que fue más delgada que la envoltura de plástico.

El equipo luego construyó un aparato para probar la conducción de calor de la película.

Mientras que la mayoría de los polímeros conducen el calor a aproximadamente 0,1 a 0,5 vatios por metro por kelvin, Xu encontró que la nueva película de polietileno logra alrededor de 60 vatios por metro por kelvin.

(El diamante, el mejor material conductor del calor, llega a aproximadamente 2,000 vatios por metro por kelvin, mientras que la cerámica mide alrededor de 30 y el acero alrededor de 15).

Como resultado, la película del equipo es de dos órdenes de magnitud más térmicamente conductora que la mayoría de los polímeros, y también más conductiva que el acero y la cerámica.

Para entender por qué estas películas de polietileno diseñadas tienen una conductividad térmica inusualmente alta, el equipo realizó experimentos de dispersión de rayos X en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) del Departamento de Energía de los 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 conforman la película estirada”, dice Jiang.

Al tomar imágenes de las películas ultrafinas, los investigadores observaron que las películas que exhibían una mejor conducción del calor consistían en nanofibras con cadenas enrolladas menos al azar, en comparación con las de los polímeros comunes, que se asemejan a espaguetis enredados.

Sus observaciones podrían ayudar a los investigadores a diseñar microestructuras de polímeros para conducir eficientemente el calor.

“Este trabajo soñado se hizo realidad al final”, dice Xu.

En el futuro, los investigadores están buscando formas de hacer aún mejores conductores de calor de polímero, tanto al ajustar el proceso de fabricación como a experimentar 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 forman la película.

Dicho conductor de calor unidireccional podría ser útil para transportar el calor en una dirección específica, dentro de dispositivos tales como computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos.

Pero idealmente, dice que la película debería disipar el calor de manera más efectiva 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 del calor en las tres dimensiones”.

Fuente: Noticias de la Ciencia