【博科园-科学科普】塑料是极好的绝缘体，这意味着它们能有效地吸收热量——这是一种可以在咖啡杯套筒中具有优势的品质。但这种绝缘性能在笔记本和移动电话的塑料外壳等产品中是不太理想的，因为这些塑料外壳可以过热，部分原因是这些覆盖物会捕捉到设备产生的热量。现在麻省理工学院的一个工程师团队开发出了一种聚合物热传导材料——一种塑料材料，但与直觉相反，它是一种导热体，可以散热而不是绝缘。这种新型聚合物既轻便又灵活，它的热量是大多数商业使用的聚合物的10倍。
麻省理工学院的研究人员设计了一种新的方法，通过化学气相沉积，在分子水平上设计出聚合物结构。这允许刚性的，有序的链，相对于凌乱的，“意大利面条状的线”，通常组成聚合物。这种链状结构使热运输沿着链和跨链。图片版权：MIT / Chelsea Turner
传统的聚合物既具有电性，又具有隔热性能。麻省理工学院机械工程系的博士后徐延飞(音译)说：导电聚合物的发现和发展已经催生了新型的电子应用，如柔性显示器和可穿戴生物传感器。聚合物可以更有效地进行热传导和散热。聚合物可以被制成下一代热管理应用的热导体，比如对现有的电子产品外壳进行自我冷却。徐博士和一组博士后、研究生和教师在今天的《科学进步》杂志上发表了他们的研究成果。团队成员包括王晓雪，他与徐佳伟、周嘉伟、白松、伊丽莎白·李、塞缪尔·休伯曼等人共同贡献了研究成果。张江，阿贡国家实验室的物理学家;麻省理工学院的副教务长凯伦·格里森，以及亚历山大·迈克尔·卡瑟化学工程教授，陈刚，麻省理工学院机械工程系系主任，卡尔·理查德·索德伯格电力工程教授。
如果你放大一个普通聚合物的微观结构，不难看出为什么材料会如此容易地吸收热量。在微观层面上，聚合物由长链单体或分子单元组成，连接端到末端。这些链条通常缠绕在类似意大利面条的球里。热载体很难在混乱无序的环境中移动，并且容易陷入聚合体的混乱和纠结中。然而研究人员试图将这些天然的热绝缘体转变成导体。对于电子学来说，聚合物可以提供一种独特的属性组合，因为它们轻便、灵活、化学惰性。聚合物也是电绝缘的，这意味着它们不导电，因此可以用来防止笔记本和移动电话等设备在用户手中短路。
近年来包括陈氏集团在内的几家集团都设计了聚合物导体，该集团在2010年发明了一种从标准的聚乙烯样品中制造出“ultradrawn纳米纤维”的方法。这项技术将杂乱无序的聚合物拉伸成超薄的、有序的链，就像解开一串节日灯一样。由此产生的链条使热量可以轻易地穿过材料，而聚合物的热量是普通塑料的300倍。但是绝缘体转变为导体只能在一个方向上散热，沿着每个聚合物链的长度。热不能在聚合物链之间传播，因为弱范德华力——这一现象本质上吸引了两个或两个以上的分子。徐冰想知道是否可以把一种聚合物材料分散到各个方向。
徐佳认为目前的研究是为了设计出高导热性的聚合物，同时进行分子内和分子间的研究——她希望这种方法能够在聚合物链之间实现高效的热传导。该团队最终产生了一种称为多噻吩的热导聚合物，这种聚合物通常用于许多电子设备中。向四面八方发出热量的暗示：实验室成员和Gleason和她的实验室成员合作开发了一种新的方法，利用氧化化学气相沉积(oCVD)来设计一种聚合物导体，使两个蒸汽被定向到一个腔室，并在一个基板上相互作用并形成一个薄膜。反应是能够制造出刚性的聚合物链，而不是普通聚合物中扭曲的、类似意大利面条的链。
在这种情况下，Wang将氧化剂注入到一个腔体中，同时还有一种单体分子的蒸汽——当被氧化时，它会形成聚合物的链。我们在硅/玻璃基板上种植聚合物，氧化剂和单体被吸附和反应，利用CVD技术的独特的自模板生长机制。王制作了相对大规模的样品，每一个尺寸都是2平方厘米——大概是拇指指纹的大小。因为这个样本是如此普遍地使用，就像太阳能电池、有机场效应晶体管和有机发光二极管一样，如果这种材料可以被制成热传导，它就能在所有有机电子产品中散热。
研究小组利用时域热反射技术测量了每个样本的热导率——一种将激光射到材料上加热表面的技术，然后通过测量材料的反射率来监测其表面温度的下降，因为热量会扩散到材料中。表面温度衰减的时间分布与热扩散的速度有关，由此可以计算出热导率。平均而言，聚合物样品能够以每开尔文2瓦特的速度进行加热——比传统聚合物能达到的速度快10倍。在Argonne国家实验室，Jiang和Xu发现聚合物样品几乎是各向同性的，或者是均匀的。这表明材料的性能，如导热性，也应该是近乎均匀的。根据这一推论，研究小组预测材料应该在各个方向上均匀地传导热量，增加其散热潜力。
展望未来，该团队将继续探索聚合物电导率背后的基本物理原理，以及如何使材料用于电子产品和其他产品，如电池外壳和印制电路板的薄膜。可以直接将这种材料涂在硅晶片上，并将其涂在不同的电子设备上。如果我们能理解在这些无序结构中热传输是如何运作的，也许也可以推动更高的导热系数。”然后我们可以帮助解决这个普遍存在的过热问题，并提供更好的热管理。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：Science Advances
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：麻省理工学院
编译：光量子
审校：博科园
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