Un team di ricercatori dell'Università del Michigan (UM) ha sviluppato una tecnica per alterare le strutture molecolari della plastica, o polimeri, per renderle più favorevoli al calore. A differenza dei metodi tradizionali, questa nuova tecnica di aiutare la plastica a scacciare il calore è poco costosa e scalabile.

Questa innovazione è molto promettente per i campi ingegneristici in cui è richiesto un materiale che sia leggero e conduttivo, come nella produzione di veicoli, computer e LED.

Il team di ricerca di UM include professore di scienza dei materiali e ingegneria Jinsang Kim, professore associato di ingegneria meccanica Kevin Pipe, ricercatore laureato in ingegneria meccanica Chen Li, e laureato in materie scientifiche e ingegneria, Apoorv Shanker.

Il documento completo è pubblicato in Anticipi Scienza.

"Le materie plastiche stanno sostituendo i metalli e la ceramica in molti luoghi, ma sono così poveri conduttori di calore che nessuno li considera nemmeno per applicazioni che richiedono un dissipatore di calore efficiente", ha detto Kim in una dichiarazione. "Stiamo lavorando per cambiarlo applicando l'ingegneria termica alla plastica in un modo che non è mai stato fatto prima".

La naturale bassa conducibilità dei polimeri è dovuta alla struttura delle loro molecole componenti. I polimeri sono costituiti da catene molecolari strettamente legate e aggrovigliate tra loro. La ragione per cui i polimeri sono notoriamente cattivi nel condurre il calore è che l'energia termica deve attraversare questa complessa struttura molecolare per viaggiare attraverso il materiale.

"Il metodo tradizionale per aumentare la conduttività termica dei polimeri era miscelare un materiale di apporto, come l'argento o l'allumina", ha dichiarato Pipe a The University Network. "Lo svantaggio di questo metodo è che rende il polimero più pesante e più costoso da produrre".

Al contrario, il metodo sviluppato dal gruppo di ricerca non richiede riempimento e non altera il peso del polimero. Innanzitutto, il polimero si scioglie in acqua. Quindi, gli elettroliti vengono aggiunti alla miscela acqua / polimero. L'aggiunta di elettroliti aumenta il pH della soluzione e fa sì che i singoli collegamenti che costituiscono la struttura molecolare del polimero si respingano a vicenda. Questa forza repulsiva fa sì che le catene molecolari a spirale si distacchino e si raddrizzino.  

Shanker ha usato l'analogia di una corda di chitarra per descrivere l'alterazione. "Pensa ad una corda di chitarra molto tesa rispetto ad un pezzo di spago arrotolato", ha detto in una nota. "La corda della chitarra vibrerà quando pizzicata, lo spago non lo farà. Le catene di molecole polimeriche si comportano in modo simile. "

Il calore, dopo tutto, non è altro che la vibrazione delle molecole.

Il nuovo metodo aumenta la conduttività dei polimeri a circa quella del vetro. Ciò non soddisfa i livelli di conduttività di ceramica o metalli, ma è comunque un aumento sostanziale e potrebbe avere un impatto importante in molti settori.

"I ricercatori hanno a lungo studiato modi per modificare la struttura molecolare dei polimeri per progettare le loro proprietà meccaniche, ottiche o elettroniche, ma pochissimi studi hanno esaminato approcci di progettazione molecolare per progettare le loro proprietà termiche", ha detto Pipe in una nota.

Mentre il flusso di calore nei materiali è spesso un processo complesso, anche piccoli miglioramenti nelle conduttività termiche dei polimeri possono avere un grande impatto tecnologico.

Il team di ricerca sta attualmente cercando di estendere l'uso di questa tecnica ad altri tipi di polimeri e progetta di produrre un prodotto commerciale in diversi anni.