Gli ingegneri del MIT capiscono come trasformare la plastica in conduttore di calore

Pubblicato il:

aggiornato:

Può sembrare controintuitivo, ma i ricercatori del MIT hanno utilizzato la plastica, comunemente nota come materiale isolante termico, per sviluppare il conduttore di calore di prossima generazione.

"Oggi la dissipazione del calore è una sfida sempre più critica per i dispositivi integrati che continuano a miniaturizzare verso la nanoscala", ha affermato Yanfei Xu, postdoc presso il Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT e co-autore principale dello studio.

La sfida è diventata evidente in seguito al richiamo di massa del Galaxy Note 7 di Samsung dopo le segnalazioni di un'esplosione dovuta al surriscaldamento nel 2016 e le aziende hanno investito nello sviluppo di una tecnica di dissipazione del calore più intelligente per i dispositivi ricaricabili.

Secondo Xu, a differenza dei materiali tradizionali per conduttori di calore come metalli e ceramica, l’industria aveva bisogno di un materiale leggero, flessibile ed economico che fosse altrettanto efficiente nel dissipare il calore.

Lo studio è pubblicato in Anticipi Scienza.

Il conduttore di calore di prossima generazione

plastica sono noti anche come polimeri fabbricati, costituiti da lunghe catene di monomeri, o unità molecolari, legate da un'estremità all'altra. Poiché queste catene sono spesso aggrovigliate, il calore rimane intrappolato nei ringhi e nei nodi polimerici, rendendo la plastica un ottimo isolante termico.

Ma i ricercatori del MIT hanno visto qualcosa di diverso. La plastica lo è leggeri, flessibili e chimicamente inerti, nel senso che non conducono elettricità, e possono quindi essere utilizzati per evitare che dispositivi come laptop e cellulari vadano in cortocircuito nelle mani degli utenti. Se solo fossero più bravi a dissipare il calore, La plastica potrebbe essere il materiale di prossima generazione in grado di dissipare il calore e non di intrappolarlo.

Il metodo

Nel 2010, Gang Chen, capo del Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT e professore di ingegneria energetica Carl Richard Soderberg, e il suo team di ricercatori hanno inventato un metodo per allungare i polimeri disordinati in catene ultrasottili e ordinate.

Hanno scoperto che le catene risultanti consentivano al calore di passare facilmente lungo e attraverso il materiale e che il polimero conduceva una quantità di calore 300 volte superiore rispetto alla plastica ordinaria.

Ma l’isolante trasformato in conduttore poteva dissipare il calore solo in una direzione, lungo la lunghezza di ciascuna catena polimerica. Il calore non poteva viaggiare tra le catene polimeriche.

Sentendo parlare dello sviluppo del team, Xu si è chiesto se questo materiale polimerico potesse essere fatto per disperdere il calore in tutte le direzioni.

In uno sforzo congiunto con un team di postdoc, laureati e docenti, tra cui Chen e Karen Gleason, rettore associato del MIT e il professore di ingegneria chimica Alexander I. Michael Kasser, Xu e Xiaoxue Wang, dottorando presso la School of Engineering del MIT e co-autore principale dello studio, hanno sviluppato un metodo che consentirebbe un efficiente trasporto del calore lungo e tra le catene polimeriche.

Hanno utilizzato la deposizione chimica in fase vapore ossidativa (oCVD), in cui monomeri e ossidanti vengono diretti in una camera a vuoto e su un substrato, dove avviene la polimerizzazione. E si forma un sottile film polimerico cresciuto esclusivamente in oCVD con una struttura più ordinata, che consente il trasporto del calore sia lungo che attraverso le catene più estese e ordinate.

"Abbiamo ottenuto una struttura a catena più estesa e ordinata con buone interazioni intermolecolari, rispetto alla struttura disordinata a spirale casuale dei polimeri convenzionali", ha affermato Wang.

Testare il materiale

Il team ha prodotto campioni su scala relativamente ampia, ciascuno dei quali misura due centimetri quadrati, circa le dimensioni di un’impronta digitale.

Per testare l'efficienza con cui il loro nuovo polimero dissipava il calore, hanno misurato la conduttività termica di ciascun campione utilizzando la riflettanza termica nel dominio del tempo, una tecnica in cui sparano un laser sul materiale per riscaldarne la superficie e quindi monitorano il calo della temperatura superficiale misurando la riflettanza del materiale man mano che il calore si diffonde nel materiale.

In media, i campioni di polimero hanno condotto il calore a circa 2 watt per metro per kelvin, circa 10 volte più velocemente di quanto possono ottenere i polimeri convenzionali.

Il team ha scoperto che i campioni di polimero apparivano quasi isotropi, o uniformi, suggerendo che anche le proprietà del materiale, come la sua conduttività termica, dovrebbero essere uniformi.

In linea con questa scoperta, il team ha ritenuto che il materiale dovesse condurre il calore ugualmente bene in tutte le direzioni, aumentando il suo potenziale di dissipazione del calore.

Il prossimo passo

Il team continuerà a esplorare la fisica fondamentale alla base della conduttività dei polimeri, nonché i modi per consentire l’utilizzo della plastica nell’elettronica e in altri prodotti, come involucri per batterie e pellicole per circuiti stampati.

"Possiamo rivestire direttamente e in modo conforme questo materiale su wafer di silicio e diversi dispositivi elettronici", ha affermato Xu in una nota. “Se riusciamo a capire come funziona il trasporto termico in queste strutture disordinate, forse possiamo anche spingere per una maggiore conduttività termica. Quindi possiamo contribuire a risolvere questo diffuso problema di surriscaldamento e fornire una migliore gestione termica”.

Prova GRATUITA di 6 mesi

Quindi, goditi Amazon Prime a metà prezzo - 50% di sconto!

TUN AI – Il tuo assistente educativo

TUNAI

Sono qui per aiutarti con borse di studio, ricerca universitaria, lezioni online, aiuti finanziari, scelta delle specializzazioni, ammissione all'università e consigli di studio!

La Rete Università