Doorbraakpolymeer van MIT belooft veiligere telefoons en laptops door oververhitting te voorkomen

• MIT-ingenieurs hebben een polymeer ontwikkeld, polythiofeen genaamd, dat warmte efficiënt geleidt. 
• Het is flexibel, lichtgewicht en 10 keer beter geleidend dan conventionele polymeren.
• Het kan rechtstreeks worden aangebracht op siliciumwafels en diverse elektronische instrumenten. 

Je weet al dat kunststoffen perfecte isolatoren zijn:ze kunnen effectief warmte vasthouden. Deze eigenschap is uiterst nuttig in tal van zaken, zoals de hoes van een koffiekopje, maar als het om elektronische apparaten gaat, zoals plastic behuizingen voor telefoons en laptops, houden ze warmte vast en maken ze het apparaat nog heter.

Nu hebben MIT-ingenieurs een techniek ontwikkeld die de plastic isolator in een warmtegeleider verandert, wat betekent dat het nieuwe materiaal de warmte niet isoleert, maar juist afvoert. Het nieuwe polymeer is flexibel, lichtgewicht en 10 keer beter geleidend dan conventionele polymeren.

Het nieuwe materiaal zal het gemakkelijker maken om elektronische apparaten zoals zonnecellen, draagbare biosensoren en flexibele displays te ontwikkelen. In tegenstelling tot conventionele polymeren, die thermisch en elektrisch isolerend zijn, geleidt het thermisch en elimineert het de warmte efficiënt.

MIT-ingenieurs zijn van mening dat dit materiaal ook kan worden gebruikt in complexe thermische beheertoepassingen, waaronder organische elektronica, opto-elektronica en zelfkoelende alternatieven.

Hoe wordt het gemaakt?

Conventioneel polymeer

Een polymeer is een groot molecuul dat bestaat uit verschillende herhaalde subeenheden (monomeren die van begin tot eind met elkaar verbonden zijn). Tot nu toe is de ontwikkeling van polymeren beperkt gebleven door een sterke intermoleculaire interactie (het overbrengen van fotonen tussen polymeerketens) of een sterke intramoleculaire interactie (het overbrengen van fotonen langs polymeerketens).

Nu hebben ingenieurs geprobeerd beide interacties tegelijkertijd te realiseren. Ze bedachten een techniek waarmee warmte kan worden overgedragen tussen en langs polymeerketens. Ze ontwikkelden een geconjugeerd polymeer, polythiofeen of poly(3-hexylthiofeen) genaamd, dat een hoge thermische geleidbaarheid heeft.

Het wordt gemaakt door oxidatieve chemische dampafzetting van onderaf, waarbij gebruik wordt gemaakt van sterke p-p-stapelende, niet-covalente interactie tussen polymeerketens en sterke covalente C=C-binding langs de verlengde keten.

De reactie vormde stijve polymeerketens, in plaats van gedraaide strengen in traditionele polymeren. Ze creëerden grootschalige prototypes, elk met een afmeting van 2 cm2.

Referentie:ScienceAdvances | doi:10.1126/sciadv.aar3031 | MIT

Tests en resultaten

Krediet:Chelsea Turner / MIT

Om de thermische geleidbaarheid van prototypes te testen, gebruikten ingenieurs een techniek die bekend staat als thermische reflectie in het tijdsdomein. Bij deze techniek wordt het materiaal blootgesteld aan een laserstraal om het oppervlak te verwarmen. Vervolgens analyseren ze de temperatuurdaling door de reflectie van het materiaal te meten terwijl de warmte zich naar andere delen van het materiaal uitstrekt.

De temperatuurdaling laat zien hoe snel de warmte zich naar andere delen voortplant, waardoor ingenieurs de thermische geleidbaarheid van het materiaal kunnen berekenen.

Ze ontdekten dat prototypes uniform waren en warmte geleidden met een snelheid van 2 watt per meter per Kelvin, wat tien keer hoger is dan dat van traditionele polymeren. Omdat het polymeer bijna isotroop is, geleidt het de warmte in alle richtingen met dezelfde snelheid, waardoor het warmteafvoervermogen van het materiaal toeneemt.

Het oxidatieve chemische dampafzettingsproces en de niet-destructieve aard van het materiaal maken de vorming van hoogwaardige, thermisch geleidende dunne films op talrijke substraten mogelijk, wat de veelzijdigheid en talloze toepasbaarheid ervan aantoont.

Lees:Transparante materialen kunnen licht absorberen | Een ongebruikelijk optisch effect

Het materiaal kan rechtstreeks op siliciumwafels en verschillende elektronische instrumenten worden gecoat. Ingenieurs zijn van plan verder aan dit project te werken en het compatibel te maken met andere producten, zoals films voor printplaten en behuizingen voor batterijen.