В поисках материалов нового поколения для современных устройств — легких, гибких и эффективно рассеивающих тепло — исследователи часто обращаются к полимерам. Однако традиционно эти материалы плохо проводят тепло. Команда ученых под руководством Университета Массачусетс Амхерст поставила под сомнение общепринятое мнение, что идеальные наполнители — лучший выбор для создания теплопроводных полимеров. Их недавнее открытие показывает, что несовершенства могут быть ключом к успеху.
Почему теплопроводность важна?
Современная электроника, от смартфонов до медицинских имплантатов, генерирует значительное количество тепла. Эффективное рассеивание этого тепла критически важно для производительности и долговечности устройств. Полимеры привлекательны своей легкостью, гибкостью и низкой стоимостью, но их естественная теплоизолирующая природа является серьезным препятствием.
Традиционный подход и его ограничения
Долгое время считалось, что для повышения теплопроводности полимеров необходимо добавлять в них высокопроводящие наполнители, такие как металлы или керамика. Основная идея заключалась в том, чтобы эти наполнители были максимально идеально распределены в полимерной матрице. Предполагалось, что равномерное распределение создает больше путей для прохождения тепла. Однако достичь такого идеального распределения на практике сложно и часто дорого.
Новый взгляд на наполнители для полимеров
Исследовательская группа под руководством Триши Эндрю, доцента кафедры химии и адъюнкт-доцента кафедры химической инженерии в UMass Amherst, решила проверить устоявшееся мнение. Они использовали полимерные нановолокна PEDOT (поли(3,4-этилендиокситиофен)) в качестве наполнителя. При помощи техники, называемой окислительной химической парофазной полимеризацией (oCVD), они смогли контролировать степень агрегации (слипания) нановолокон внутри полимерной матрицы.
Неожиданное открытие: несовершенства улучшают проводимость
К удивлению исследователей, результаты показали обратное тому, что предсказывала теория.
- Образцы, где нановолокна PEDOT были агрегированы (слипшиеся, несовершенные), показали увеличение теплопроводности на 300% по сравнению с образцами, где нановолокна были равномерно распределены.
- Это означает, что композит с “несовершенным” наполнителем проводил тепло в четыре раза лучше, чем считавшийся “идеальным” аналог.
Более того, композиты с агрегированными нановолокнами оказались также более механически прочными.
Почему несовершенства работают лучше?
Ученые объясняют этот эффект формированием так называемых “тепловых магистралей”. Когда нановолокна слипаются в агрегаты, они создают протяженные, хорошо связанные между собой пути для тепла. Эти пути позволяют теплу быстро проходить через весь материал.
В отличие от этого, идеально распределенные нановолокна создают множество коротких, разрозненных путей. Теплу приходится преодолевать множество границ между наполнителем и полимерной матрицей, что замедляет его движение. Агрегаты же действуют как скоростные шоссе для тепла, минуя эти препятствия.
Значение для будущих разработок
Это открытие имеет важные последствия для разработки новых теплопроводных материалов. Оно показывает, что погоня за идеальным распределением наполнителя не всегда оправдана и даже может быть контрпродуктивна.
“Наши результаты бросают вызов парадигме идеальности”, — говорит Триша Эндрю. Теперь инженеры и материаловеды могут сознательно использовать контролируемую агрегацию наполнителей для создания более эффективных и потенциально более дешевых теплопроводных полимеров. Это открывает новые возможности для проектирования систем охлаждения в электронике, энергетике и других областях, где управление теплом играет ключевую роль. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.