Используя этот метод, Шэн Шен, доцент кафедры машиностроения в Университете Карнеги-Меллона, и его исследовательская группа создали полимерный терморегулятор, который может быстро превращаться из проводника в изолятор и обратно. Когда это проводник, тепло передается быстро. Когда это изолятор, теплопередача намного медленнее. Переключаясь между двумя состояниями, терморегулятор может контролировать свою температуру, а также температуру окружающей среды, например, холодильника или компьютера.
Чтобы переключиться с высокой на низкую проводимость, должна измениться сама структура полимера. Это преобразование активируется исключительно за счет тепла. «Полимер начинается с высокоупорядоченной кристаллической структуры», – сказал Шен. "Но как только вы увеличиваете температуру полимерного волокна примерно до 340 Кельвинов, молекулярная структура изменяется и становится гексагональной."
Результаты были опубликованы в Science Advances в статье «Высококонтрастный и обратимый полимерный терморегулятор путем структурного фазового перехода."Соавторами были Майкл Боксталлер из Карнеги-Меллона, Ренкун Чен из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Суквон Чой из Университета штата Пенсильвания, Кедар Хиппалгаонкар из Агентства научных технологий и исследований (Сингапур) и Тенгфей Луо из Университета Нотр-Дам.
Превращение происходит потому, что тепло воздействует на молекулярные связи. "Связь между молекулами становится довольно слабой", – сказал Шен. "Таким образом, сегменты могут вращаться."И как только сегменты вращаются, структура становится беспорядочной, что значительно снижает ее теплопроводность.
Этот тип перехода известен как переход твердое тело-твердое тело; хотя полимер достигает температуры, близкой к температуре плавления, он остается твердым на протяжении всего процесса.
Изучая трансформацию полимера, Шен сконцентрировал свои данные на том, как изменяется его проводимость. Он также собрал данные о других фазовых переходах, чтобы сравнить отношения. «Когда вы смотрите на все материалы, которые есть на Земле, изменение проводимости составляет не более четырех раз», – говорит Шен. "Здесь мы уже обнаружили новый материал, у которого может измениться проводимость примерно на десять."
Кроме того, структурные изменения могут произойти быстро, в пределах пяти градусов Кельвина.
Он также обратимый, что позволяет включать и выключать его как выключатель. Он может выдерживать гораздо более высокие температуры, чем другие терморегуляторы, оставаясь стабильным до 560 Кельвинов. Его сложно сломать, поэтому он может пережить многие переходы. А поскольку он основан на нагревании, в нем не используется столько движущихся частей, сколько в обычных методах охлаждения, что делает его намного более эффективным.
Хотя в прошлом это исследование проводилось теоретически, работа Шена впервые была продемонстрирована экспериментально. Шен считает, что полимер найдет применение в реальных условиях. «Этот контроль теплового потока на наноуровне открывает новые возможности, – сказал Шен, – такие как разработка переключаемых тепловых устройств, твердотельного охлаждения, отвода отработанного тепла, тепловых схем и вычислений."
Эта работа основана на предыдущих исследованиях в лаборатории Шена, где его команда разработала полимерное нановолокно, которое было прочным, легким, теплопроводным, электрически изолирующим и биосовместимым – и все это при ширине менее 100 нанометров.