厲害了！工程師將塑料絕緣體轉變為熱導體

【博科園-科學科普】塑料是極好的絕緣體，這意味著它們能有效地吸收熱量——這是一種可以在咖啡杯套筒中具有優勢的品質。但這種絕緣性能在筆記本和行動電話的塑料外殼等產品中是不太理想的，因為這些塑料外殼可以過熱，部分原因是這些覆蓋物會捕捉到設備產生的熱量。現在麻省理工學院的一個工程師團隊開發出了一種聚合物熱傳導材料——一種塑料材料，但與直覺相反，它是一種導熱體，可以散熱而不是絕緣。這種新型聚合物既輕便又靈活，它的熱量是大多數商業使用的聚合物的10倍。

麻省理工學院的研究人員設計了一種新的方法，通過化學氣相沉積，在分子水平上設計出聚合物結構。這允許剛性的，有序的鏈，相對於凌亂的，「義大利麵條狀的線」，通常組成聚合物。這種鏈狀結構使熱運輸沿著鏈和跨鏈。圖片版權：MIT / Chelsea Turner

傳統的聚合物既具有電性，又具有隔熱性能。麻省理工學院機械工程系的博士後徐延飛(音譯)說：導電聚合物的發現和發展已經催生了新型的電子應用，如柔性顯示器和可穿戴生物感測器。聚合物可以更有效地進行熱傳導和散熱。聚合物可以被製成下一代熱管理應用的熱導體，比如對現有的電子產品外殼進行自我冷卻。徐博士和一組博士後、研究生和教師在今天的《科學進步》雜誌上發表了他們的研究成果。團隊成員包括王曉雪，他與徐佳偉、周嘉偉、白松、伊麗莎白·李、塞繆爾·休伯曼等人共同貢獻了研究成果。張江，阿貢國家實驗室的物理學家;麻省理工學院的副教務長凱倫·格里森，以及亞歷山大·邁克爾·卡瑟化學工程教授，陳剛，麻省理工學院機械工程系系主任，卡爾·理查德·索德伯格電力工程教授。

如果你放大一個普通聚合物的微觀結構，不難看出為什麼材料會如此容易地吸收熱量。在微觀層面上，聚合物由長鏈單體或分子單元組成，連接端到末端。這些鏈條通常纏繞在類似義大利麵條的球里。熱載體很難在混亂無序的環境中移動，並且容易陷入聚合體的混亂和糾結中。然而研究人員試圖將這些天然的熱絕緣體轉變成導體。對於電子學來說，聚合物可以提供一種獨特的屬性組合，因為它們輕便、靈活、化學惰性。聚合物也是電絕緣的，這意味著它們不導電，因此可以用來防止筆記本和行動電話等設備在用戶手中短路。

近年來包括陳氏集團在內的幾家集團都設計了聚合物導體，該集團在2010年發明了一種從標準的聚乙烯樣品中製造出「ultradrawn納米纖維」的方法。這項技術將雜亂無序的聚合物拉伸成超薄的、有序的鏈，就像解開一串節日燈一樣。由此產生的鏈條使熱量可以輕易地穿過材料，而聚合物的熱量是普通塑料的300倍。但是絕緣體轉變為導體只能在一個方向上散熱，沿著每個聚合物鏈的長度。熱不能在聚合物鏈之間傳播，因為弱范德華力——這一現象本質上吸引了兩個或兩個以上的分子。徐冰想知道是否可以把一種聚合物材料分散到各個方向。

徐佳認為目前的研究是為了設計出高導熱性的聚合物，同時進行分子內和分子間的研究——她希望這種方法能夠在聚合物鏈之間實現高效的熱傳導。該團隊最終產生了一種稱為多噻吩的熱導聚合物，這種聚合物通常用於許多電子設備中。向四面八方發出熱量的暗示：實驗室成員和Gleason和她的實驗室成員合作開發了一種新的方法，利用氧化化學氣相沉積(oCVD)來設計一種聚合物導體，使兩個蒸汽被定向到一個腔室，並在一個基板上相互作用並形成一個薄膜。反應是能夠製造出剛性的聚合物鏈，而不是普通聚合物中扭曲的、類似義大利麵條的鏈。

在這種情況下，Wang將氧化劑注入到一個腔體中，同時還有一種單體分子的蒸汽——當被氧化時，它會形成聚合物的鏈。我們在硅/玻璃基板上種植聚合物，氧化劑和單體被吸附和反應，利用CVD技術的獨特的自模板生長機制。王製作了相對大規模的樣品，每一個尺寸都是2平方厘米——大概是拇指指紋的大小。因為這個樣本是如此普遍地使用，就像太陽能電池、有機場效應晶體管和有機發光二極體一樣，如果這種材料可以被製成熱傳導，它就能在所有有機電子產品中散熱。

研究小組利用時域熱反射技術測量了每個樣本的熱導率——一種將激光射到材料上加熱表面的技術，然後通過測量材料的反射率來監測其表面溫度的下降，因為熱量會擴散到材料中。表面溫度衰減的時間分布與熱擴散的速度有關，由此可以計算出熱導率。平均而言，聚合物樣品能夠以每開爾文2瓦特的速度進行加熱——比傳統聚合物能達到的速度快10倍。在Argonne國家實驗室，Jiang和Xu發現聚合物樣品幾乎是各向同性的，或者是均勻的。這表明材料的性能，如導熱性，也應該是近乎均勻的。根據這一推論，研究小組預測材料應該在各個方向上均勻地傳導熱量，增加其散熱潛力。

展望未來，該團隊將繼續探索聚合物電導率背後的基本物理原理，以及如何使材料用於電子產品和其他產品，如電池外殼和印製電路板的薄膜。可以直接將這種材料塗在硅晶片上，並將其塗在不同的電子設備上。如果我們能理解在這些無序結構中熱傳輸是如何運作的，也許也可以推動更高的導熱係數。」然後我們可以幫助解決這個普遍存在的過熱問題，並提供更好的熱管理。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Science Advances

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：麻省理工學院

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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