Быстрое растяжение переключает способность этого полимера переносить тепло | Новости Массачусетского технологического института

Большинству материалов присуща способность выдерживать тепло. Например, пластик обычно является плохим проводником тепла, тогда как такие материалы, как мрамор, отводят тепло более эффективно. Если вы положите одну руку на мраморную столешницу, а другую на пластиковую разделочную доску, мрамор отведет больше тепла от вашей руки, создавая более холодное ощущение по сравнению с пластиком.

Обычно теплопроводность материала невозможно изменить без его повторного производства. Но теперь инженеры Массачусетского технологического института обнаружили, что относительно распространенный материал может менять свою теплопроводность. Простое растяжение материала быстро увеличивает его теплопроводность: от базовой, как у пластика, до более высокой, ближе к мрамору. Когда материал возвращается в нерастянутую форму, он возвращается к своим пластическим свойствам.

Термически обратимый материал представляет собой олефиновый блок-сополимер — мягкий и гибкий полимер, который используется в широком спектре коммерческих продуктов. Команда обнаружила, что когда материал быстро растягивается, его способность проводить тепло увеличивается более чем вдвое. Этот переход происходит всего за 0,22 секунды, что является самым быстрым тепловым переключением, которое наблюдалось в любом материале.

Этот материал можно использовать для разработки систем, которые адаптируются к изменению температуры в режиме реального времени. Например, переключаемые волокна можно вплетать в одежду, которая обычно сохраняет тепло. При растяжении ткань мгновенно отводит тепло от тела человека, охлаждая его. Подобные волокна можно встроить в ноутбуки и инфраструктуру, чтобы предотвратить перегрев устройств и зданий. Исследователи работают над дальнейшей оптимизацией полимера и разработкой новых материалов с аналогичными свойствами.

«Нам нужны дешевые и доступные материалы, которые могут быстро адаптироваться к изменениям температуры окружающей среды», — говорит Светлана Борискина, главный научный сотрудник факультета машиностроения Массачусетского технологического института. «Теперь, когда мы увидели это тепловое переключение, это меняет направление, в котором мы можем искать и создавать новые адаптивные материалы».

Борискина и ее коллеги опубликовали свои результаты в журнале. исследование появится сегодня в журнале Расширенные материалы. Соавторами исследования являются Дуо Сюй, Букюань Ли, Ю Лю и Вивиан Сантамария-Гарсия из Массачусетского технологического института, а также Юань Чжу из Южного университета науки и технологий в Шэньчжэне, Китай.

Эластичные цепи

Ключом к новому явлению является то, что когда материал растягивается, его микроскопические структуры выравниваются таким образом, что внезапно позволяют теплу легко проходить сквозь него, увеличивая теплопроводность материала. В нерастянутом состоянии одни и те же микроструктуры спутываются и сбиваются в кучу, эффективно блокируя путь тепла.

Как оказалось, Борискина и ее коллеги не ставили перед собой задачу найти теплопереключающий материал. Первоначально они искали более экологичную альтернативу спандексу, который представляет собой синтетическую ткань, изготовленную из пластмасс на основе нефти, которую традиционно трудно перерабатывать. В качестве потенциальной замены команда исследовала волокна, изготовленные из другого полимера, известного как полиэтилен.

«Как только мы начали работать с материалом, мы поняли, что у него есть и другие свойства, более интересные, чем тот факт, что он эластичен», — говорит Борискина. “Что делает полиэтилен уникальным, так это то, что он имеет основу из атомов углерода, расположенных вдоль простой цепочки. А углерод является очень хорошим проводником тепла”.

Микроструктура большинства полимерных материалов, в том числе и полиэтилена, содержит множество углеродных цепей. Однако эти цепи существуют в беспорядочном клубке, напоминающем спагетти, известном как аморфная фаза. Несмотря на то, что углерод является хорошим проводником тепла, беспорядочное расположение цепей обычно затрудняет поток тепла. Поэтому полиэтилен и большинство других полимеров обычно имеют низкую теплопроводность.

В предыдущая работаПрофессор Массачусетского технологического института Ган Чен и его коллеги нашли способы распутать беспорядок углеродных цепей и заставить полиэтилен перейти из неупорядоченного аморфного состояния в более выровненную кристаллическую фазу. Этот переход эффективно выпрямил углеродные цепи, обеспечив свободные пути для прохождения тепла и увеличив теплопроводность материала. Однако в этих экспериментах переключатель был постоянным; как только фаза материала изменилась, ее нельзя было повернуть вспять.

Исследуя полиэтилен, команда Борискиной также рассматривала другие тесно связанные материалы, в том числе блок-сополимер олефинов (ОБС). OBC представляет собой преимущественно аморфный материал, состоящий из сильно запутанных цепочек атомов углерода и водорода. Поэтому ученые предположили, что OBC будет демонстрировать низкую теплопроводность. Если бы его проводимость можно было увеличить, он, вероятно, стал бы постоянным, как полиэтилен.

Но когда команда провела эксперименты по проверке эластичности OBC, они обнаружили нечто совершенно иное.

«Когда мы растягивали и отпускали материал, мы поняли, что его теплопроводность была действительно высокой, когда он был растянут, и ниже, когда он был расслаблен, в течение тысяч циклов», — говорит соавтор исследования и аспирант Массачусетского технологического института Дуо Сюй. “Этот переход был обратимым, в то время как материал оставался в основном аморфным. Это было неожиданно”.

Растягивающийся беспорядок

Затем команда более внимательно изучила OBC и то, как он может меняться по мере расширения. Исследователи использовали комбинацию рентгеновской и рамановской спектроскопии, чтобы наблюдать микроскопическую структуру материала, неоднократно растягивая и расслабляя его. Они заметили, что в нерастянутом состоянии материал состоит в основном из аморфных клубков углеродных цепей, с несколькими островками упорядоченных кристаллических доменов, разбросанных здесь и там. При растяжении кристаллические домены, казалось, выравнивались, а аморфные клубки выпрямлялись, подобно тому, что Ган Чен наблюдал в полиэтилене.

Однако вместо того, чтобы полностью перейти в кристаллическую фазу, расправленные клубки остались в аморфном состоянии. Таким образом, команда обнаружила, что клубки могут меняться взад и вперед, от выпрямленных до собранных в пучки и обратно, когда материал многократно растягивается и расслабляется.

«Наш материал всегда находится в основном в аморфном состоянии; он никогда не кристаллизуется под напряжением», — отмечает Сюй. “Таким образом, это оставляет вам возможность менять теплопроводность туда и обратно тысячу раз. Это очень обратимо”.

Команда также обнаружила, что это тепловое переключение происходит очень быстро: теплопроводность материала увеличивается более чем вдвое всего за 0,22 секунды после растяжения.

«Полученная разница в рассеивании тепла через этот материал сравнима с тактильной разницей между прикосновением к пластиковой разделочной доске и к мраморной столешнице», — говорит Борискина.

Сейчас она и ее коллеги берут результаты своих экспериментов и обрабатывают их в моделях, чтобы увидеть, как можно настроить аморфную структуру материала, чтобы вызвать еще большие изменения при растяжении.

«Наши волокна могут быстро реагировать на рассеивание тепла для электроники, тканей и строительной инфраструктуры». Борискина говорит. «Если бы мы могли внести дальнейшие улучшения, чтобы изменить их теплопроводность с пластиковой на более близкую к алмазу, это имело бы огромное промышленное и социальное влияние».

Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США, Управлением глобальных военно-морских исследований через Tec de Monterrey, MIT Evergreen Graduate Innovation Fellowship, MathWorks MechE Graduate Fellowship и Центрами исследований и образования в области машиностроения MIT-SUSTech и выполнено, частично, с использованием средств MIT.nano и ISN.