Los polímeros suelen ser el material de referencia para el aislamiento térmico. Piense en un guante de silicona para horno o una taza de café de espuma de poliestireno, ambos fabricados con materiales polímeros que son excelentes para atrapar el calor.
Ahora los ingenieros del MIT han cambiado la imagen del aislante de polímero estándar, al fabricar películas de polímero delgadas que conducen el calor, una capacidad normalmente asociada con los metales. En los experimentos, encontraron que las películas, que son más delgadas que la envoltura de plástico, conducen el calor mejorque muchos metales, incluidos el acero y la cerámica.
Los resultados del equipo, publicados en la revista Comunicaciones de la naturaleza , puede estimular el desarrollo de aisladores de polímeros como alternativas ligeras, flexibles y resistentes a la corrosión a los conductores de calor metálicos tradicionales, para aplicaciones que van desde materiales que disipan el calor en computadoras portátiles y teléfonos celulares, hasta elementos de enfriamiento en automóviles y refrigeradores.
"Creemos que este resultado es un paso para estimular el campo", dice Gang Chen, profesor de ingeniería energética Carl Richard Soderberg en el MIT y coautor principal del artículo. "Nuestra visión más amplia es, estas propiedades delos polímeros pueden crear nuevas aplicaciones y quizás nuevas industrias, y pueden reemplazar los metales como intercambiadores de calor ".
Los coautores de Chen incluyen al autor principal Yanfei Xu, junto con Daniel Kraemer, Bai Song, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Migda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang y Xiaobo Li del MIT, y Zhang Jiang de Argonne NationalLaboratorio.
En 2010, el equipo informó el éxito en la fabricación de fibras delgadas de polietileno que eran 300 veces más térmicamente conductoras que el polietileno normal y casi tan conductoras como la mayoría de los metales. Sus resultados, publicados en Nature Nanotechnology, llamaron la atención de varias industrias, incluyendofabricantes de intercambiadores de calor, procesadores de núcleo de computadora e incluso autos de carrera.
Pronto quedó claro que, para que los conductores de polímeros funcionen para cualquiera de estas aplicaciones, los materiales tendrían que ampliarse desde fibras ultrafinas una fibra individual midió una centésima parte del diámetro de un cabello humano a máspelículas manejables.
"En ese momento dijimos, en lugar de una sola fibra, podemos tratar de hacer una hoja", dice Chen. "Resulta que fue un proceso muy arduo".
Los investigadores no solo tuvieron que encontrar una forma de fabricar láminas de polímero termoconductoras, sino que también tuvieron que construir un aparato a medida para probar la conducción de calor del material, así como desarrollar códigos de computadora para analizar imágenes deestructuras microscópicas del material.
Al final, el equipo pudo fabricar películas delgadas de polímero conductor, comenzando con un polvo de polietileno comercial. Normalmente, la estructura microscópica del polietileno y la mayoría de los polímeros se asemeja a una maraña de cadenas moleculares tipo espagueti. El calor tiene un momento difícilque fluye a través de este desorden desordenado, lo que explica las propiedades aislantes intrínsecas de un polímero.
Xu y sus colegas buscaron formas de desenredar los nudos moleculares del polietileno, para formar cadenas paralelas a lo largo de las cuales el calor puede conducir mejor. Para hacer esto, disolvieron el polvo de polietileno en una solución que hizo que las cadenas enrolladas se expandieran y desenredaran.El sistema de flujo incorporado desenredaba aún más las cadenas moleculares y escupía la solución sobre una placa enfriada con nitrógeno líquido para formar una película gruesa, que luego se colocaba en una máquina de estiramiento de rollo a rollo que calentaba y estiraba la película hasta que estabamás delgado que una envoltura de plástico.
El equipo luego construyó un aparato para probar la conducción de calor de la película. Mientras que la mayoría de los polímeros conducen el calor a alrededor de 0.1 a 0.5 vatios por metro por kelvin, Xu encontró que la nueva película de polietileno mide alrededor de 60 vatios por metro por kelvin.el mejor material conductor de calor, llega a alrededor de 2.000 vatios por metro por kelvin, mientras que la cerámica mide alrededor de 30 y el acero, alrededor de 15. Como resultado, la película del equipo es dos órdenes de magnitud más termoconductora que la mayoría de los polímeros,y también más conductivo que el acero y la cerámica.
Para comprender por qué estas películas de polietileno de ingeniería tienen una conductividad térmica tan inusualmente alta, el equipo realizó experimentos de dispersión de rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones APS del Departamento de Energía de los Estados Unidos en el Laboratorio Nacional de Argonne.
"Estos experimentos, en una de las instalaciones de rayos X de sincrotrón más brillantes del mundo, nos permiten ver los detalles nanoscópicos dentro de las fibras individuales que forman la película estirada", dice Jiang.
Al obtener imágenes de las películas ultrafinas, los investigadores observaron que las películas que exhibían una mejor conducción del calor consistían en nanofibras con menos cadenas enrolladas al azar, en comparación con las de los polímeros comunes, que se asemejan a espaguetis enredados. Sus observaciones podrían ayudar a los investigadores a diseñar microestructuras de polímeros para conducir el calor de manera eficiente.
"Este trabajo soñado se hizo realidad al final", dice Xu.
En el futuro, los investigadores están buscando formas de hacer mejores conductores de calor de polímeros, ajustando el proceso de fabricación y experimentando con diferentes tipos de polímeros.
Zhou señala que la película de polietileno del equipo conduce el calor solo a lo largo de las fibras que componen la película. Tal conductor de calor unidireccional podría ser útil para transportar el calor en una dirección específica, dentro de dispositivos como computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicosPero, idealmente, dice que la película debería disipar el calor de manera más efectiva en cualquier dirección.
"Si tenemos un polímero isotrópico con buena conductividad térmica, entonces podemos mezclar fácilmente este material en un compuesto, y potencialmente podemos reemplazar muchos materiales conductores", dice Zhou. "Así que estamos buscando una mejor conducción del caloren las tres dimensiones "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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