厉害了！工程师将塑料绝缘体转变为热导体

【博科园-科学科普】塑料是极好的绝缘体，这意味着它们能有用地接收热量——这是一种可以在咖啡杯套筒中具有优势的品质。但这种绝缘机能在笔记本和移动德律风的塑料外壳等产物中是不太抱负的，因为这些塑料外壳可以过热，部门原因是这些笼盖物会捕获到设备发生的热量。此刻麻省理工学院的一个工程师团队开辟出了一种聚合物热传导材料——一种塑料材料，但与直觉相反，它是一种导热体，可以散热而不是绝缘。这种新型聚合物既简便又矫捷，它的热量是年夜大都贸易利用的聚合物的10倍。

麻省理工学院的研究人员设计了一种新的方式，经由过程化学气相沉积，在分子程度上设计出聚合物布局。这许可刚性的，有序的链，相对于凌乱的，“意年夜利面条状的线”，凡是构成聚合物。这种链状布局使热运输沿着链和跨链。图片版权：MIT / Chelsea Turner

传统的聚合物既具有电性，又具有隔热机能。麻省理工学院机械工程系的博士后徐延飞(音译)说：导电聚合物的发现和成长已经催生了新型的电子应用，如柔性显示器和可穿戴生物传感器。聚合物可以更有用地进行热传导和散热。聚合物可以被制当作下一代热办理应用的热导体，好比对现有的电子产物外壳进行自我冷却。徐博士和一组博士后、研究生和教师在今天的《科学前进》杂志上颁发了他们的研究当作果。团队当作员包罗王晓雪，他与徐佳伟、周嘉伟、白松、伊丽莎白·李、塞缪尔·休伯曼等人配合进献了研究当作果。张江，阿贡国度尝试室的物理学家;麻省理工学院的副教务长凯伦·格里森，以及亚历山年夜·迈克尔·卡瑟化学工程传授，陈刚，麻省理工学院机械工程系系本家儿任，卡尔·理查德·索德伯格电力工程传授。

若是你放年夜一个通俗聚合物的微不雅布局，不难看出为什么材料会如斯轻易地接收热量。在微不雅层面上，聚合物由长链单体或分子单位构成，毗连端到结尾。这些链条凡是环绕纠缠在近似意年夜利面条的球里。热载体很难在紊乱无序的情况中移动，而且轻易陷入聚合体的紊乱和纠结中。然而研究人员试图将这些自然的热绝缘体改变当作导体。对于电子学来说，聚合物可以供给一种怪异的属性组合，因为它们简便、矫捷、化学惰性。聚合物也是电绝缘的，这意味着它们不导电，是以可以用来防止笔记本和移动德律风等设备在用户手中短路。

近年来包罗陈氏集团在内的几家集团都设计了聚合物导体，该集团在2010年发现了一种从尺度的聚乙烯样品中制造出“ultradrawn纳米纤维”的方式。这项手艺将混乱无序的聚合物拉伸当作超薄的、有序的链，就像解开一串节日灯一样。由此发生的链条使热量可以等闲地穿过材料，而聚合物的热量是通俗塑料的300倍。可是绝缘体改变为导体只能在一个偏向上散热，沿着每个聚合物链的长度。热不克不及在聚合物链之间传布，因为弱范德华力——这一现象素质上吸引了两个或两个以上的分子。徐冰想知道是否可以把一种聚合物材料分离到各个偏向。

徐佳认为今朝的研究是为了设计出高导热性的聚合物，同时进行分子内和分子间的研究——她但愿这种方式可以或许在聚合物链之间实现高效的热传导。该团队最终发生了一种称为多噻吩的热导聚合物，这种聚合物凡是用于很多电子设备中。标的目的四面八方发出热量的暗示：尝试室当作员和Gleason和她的尝试室当作员合作开辟了一种新的方式，操纵氧化化学气相沉积(oCVD)来设计一种聚合物导体，使两个蒸汽被定标的目的到一个腔室，并在一个基板上彼此感化并形当作一个薄膜。反映是可以或许制造出刚性的聚合物链，而不是通俗聚合物中扭曲的、近似意年夜利面条的链。

在这种环境下，Wang将氧化剂注入到一个腔体中，同时还有一种单体分子的蒸汽——当被氧化时，它会形当作聚合物的链。我们在硅/玻璃基板上莳植聚合物，氧化剂和单体被吸拥护反映，操纵CVD手艺的怪异的自模板发展机制。王建造了相对年夜规模的样品，每一个尺寸都是2平方厘米——大要是拇指指纹的巨细。因为这个样本是如斯遍及地利用，就像太阳能电池、有机场效应晶体管和有机发光二极管一样，若是这种材料可以被制当作热传导，它就能在所有有机电子产物中散热。

研究小组操纵时域热反射手艺测量了每个样本的热导率——一种将激光射到材料上加热概况的手艺，然后经由过程测量材料的反射率来监测其概况温度的下降，因为热量会扩散到材猜中。概况温度衰减的时候分布与热扩散的速度有关，由此可以计较出热导率。平均而言，聚合物样品可以或许以每开尔文2瓦特的速度进行加热——比传统聚合物能达到的速度快10倍。在Argonne国度尝试室，Jiang和Xu发现聚合物样品几乎是各标的目的同性的，或者是平均的。这表白材料的机能，如导热性，也应该是近乎平均的。按照这一推论，研究小组展望材料应该在各个偏向上平均地传导热量，增添其散热潜力。

瞻望将来，该团队将继续摸索聚合物电导率背后的根基物理道理，以及若何使材料用于电子产物和其他产物，如电池外壳和印制电路板的薄膜。可以直接将这种材料涂在硅晶片上，并将其涂在分歧的电子设备上。若是我们能理解在这些无序布局中热传输是若何运作的，也许也可以鞭策更高的导热系数。”然后我们可以帮忙解决这个遍及存在的过热问题，并供给更好的热办理。

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参考：Science Advances

内容：经“博科园”鉴定合适今本家儿流科学

来自：麻省理工学院

编译：光量子

审校：博科园

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传布：博科园