Kunststoffe sind ausgezeichnete Isolatoren, d. h. sie fangen Wärme effizient ein — eine Qualität, die in etwas wie einer Kaffeetassenhülle von Vorteil ist. Diese isolierende Eigenschaft ist jedoch bei Produkten wie Kunststoffgehäusen für Laptops und Mobiltelefone weniger wünschenswert, die sich teilweise überhitzen können, weil die Abdeckungen die von den Geräten erzeugte Wärme einfangen.Jetzt hat ein Team von Ingenieuren am MIT einen Polymer-Wärmeleiter entwickelt, ein Kunststoffmaterial, das als Wärmeleiter dient, um Wärme abzuleiten, anstatt sie zu isolieren. Die neuen Polymere, die leicht und flexibel sind, leiten 10-mal so viel Wärme wie die meisten kommerziell verwendeten Polymere.“Traditionelle Polymere sind sowohl elektrisch als auch thermisch isolierend“, sagt Yanfei Xu, Postdoc am MIT Department of Mechanical Engineering. „Die Entdeckung und Entwicklung elektrisch leitfähiger Polymere hat zu neuartigen elektronischen Anwendungen wie flexiblen Displays und tragbaren Biosensoren geführt.
„Unser Polymer leitet und leitet Wärme viel effizienter ab“, fährt Xu fort. „Wir glauben, dass Polymere zu Wärmeleitern der nächsten Generation für fortschrittliche Wärmemanagementanwendungen werden könnten, beispielsweise als selbstkühlende Alternative zu bestehenden Elektronikgehäusen.“
Die meisten Polymere sehen bei Vergrößerung so aus: ein Wirrwarr von Polymersträngen. Die verwickelte Struktur hemmt die Wärmeableitung. Eine neue Methode glättet die Polymere und lässt Wärme leicht in alle Richtungen durch das Polymer wandern. (Bild: Chelsea Turner/MIT)
Polymere bestehen aus langen Ketten von Monomeren oder molekularen Einheiten, die Ende an Ende miteinander verbunden sind. Diese Ketten sind oft in einer Spaghetti-ähnlichen Kugel verheddert. Hitze hat es schwer, sich durch dieses ungeordnete Durcheinander zu bewegen, und neigt dazu, in den polymeren Knurren und Knoten eingeschlossen zu werden.
Und doch haben Forscher versucht, diese natürlichen Wärmeisolatoren in Leiter umzuwandeln. Für die Elektronik würden Polymere eine einzigartige Kombination von Eigenschaften bieten, da sie leicht, flexibel und chemisch inert sind. Polymere sind auch elektrisch isolierend, dh sie leiten keinen Strom und können daher verhindern, dass Geräte wie Laptops und Mobiltelefone in den Händen ihrer Benutzer kurzschließen.Mehrere Gruppen haben in den letzten Jahren Polymerleiter entwickelt, darunter eine unter der Leitung von Gang Chen, Leiter der Abteilung für Maschinenbau am MIT. Bereits 2010 erfanden Chen und sein Team eine Methode zur Herstellung von „ultradrawn Nanofibers“ aus einer Standard-Polyethylen-Probe. Die Technik streckte ungeordnete Polymere in ultradünne, geordnete Ketten. Chen fand heraus, dass die resultierenden Ketten die Wärme leicht durch das Material strömen ließen und dass das Polymer 300-mal so viel Wärme ableitete wie gewöhnliche Kunststoffe.
Der Isolator-gedrehte Leiter konnte jedoch nur Wärme in eine Richtung entlang der Länge jeder Polymerkette abführen. Wärme konnte aufgrund schwacher Van-der-Waals-Kräfte nicht zwischen Polymerketten wandern, ein Phänomen, das im Wesentlichen zwei oder mehr Moleküle nahe beieinander anzieht. Um Polymere mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu entwickeln, wollte das Team intramolekulare und intermolekulare Kräfte kombinieren. Das Team produzierte schließlich ein wärmeleitendes Polymer, das als Polythiophen bekannt ist, ein konjugiertes Polymer, das üblicherweise in vielen elektronischen Geräten verwendet wird.
Die Forscher entwickelten eine neue Methode zur Herstellung eines Polymerleiters mittels oxidativer chemischer Gasphasenabscheidung (oCVD). Dabei werden zwei Dämpfe in eine Kammer und auf ein Substrat injiziert, wo sie zusammenwirken und einen Film bilden. In diesem Fall wurden ein Oxidationsmitteldampf und ein Dampf von Monomeren auf Silizium- oder Glassubstrate in der Kammer geschickt.
Das Team maß die Wärmeleitfähigkeit jeder Probe mit der thermischen Reflexion im Zeitbereich, einer Technik, bei der ein Laser auf das Material geschossen wird, um seine Oberfläche zu erwärmen. Der Abfall seiner Oberflächentemperatur wird dann überwacht, indem der Reflexionsgrad des Materials gemessen wird, wenn sich die Wärme in das Material ausbreitet.
Im Durchschnitt leiteten die Polymerproben Wärme mit etwa 2 W / Meter pro Grad Kelvin, etwa 10-mal schneller als herkömmliche Polymere.Die Polymerproben erschienen nahezu isotrop oder einheitlich, so dass das Team theoretisierte, dass die Eigenschaften des Materials, wie seine Wärmeleitfähigkeit, ebenfalls nahezu einheitlich sein sollten. Nach dieser Überlegung sagte das Team voraus, dass das Material Wärme in alle Richtungen gleich gut leiten und sein Wärmeableitpotential erhöhen sollte.
In Zukunft wird das Team die grundlegende Physik der Polymerleitfähigkeit weiter erforschen und nach Möglichkeiten suchen, wie das Material in der Elektronik und anderen Produkten wie Gehäusen für Batterien und Folien für Leiterplatten verwendet werden kann.
