İnovatif Termal İletken Soğutmada Kullanılıyor
Fotoğraf : MIT’den bir grup mühendis polimer bir termal iletken yaratmış bulunmaktadır. Mantığa aykırı gibi gelse de bu malzeme ısıyı yalıtmak yerine dağıtarak ısı iletkeni olarak işlev gören bir plastik malzemedir. Bu esnek ve hafif inovatif polimerler piyasada bulunan polimerlere göre en az on kat daha fazla ısı iletebilmektedirler.
Plastikler olağanüstü yalıtkanlardır yani etkin bir biçimde ısıyı hapsedebilirler. Bu özellik karton kahve bardağı tutacağı gibi bir maddenin üretilmesinde işe yarayabilir. Bununla birlikte bu yalıtım özelliği, aşırı ısınabilen cep telefonu ve diz üstü bilgisayar kasasında kullanılan plastik gibi ürünlerde daha az işe yarar. Bu aşırı ısınma kısmen cihazlar tarafından üretilen ısının koruyucu kaplar tarafından hapsedilmesinden kaynaklanır.
“Geleneksel polimerler hem elektriği hem ısıyı yalıtırlar. Elektrik ileten polimerlerin keşfi ve gelişimi esnek ekranlar ve giyilebilir biyosensörler gibi yeni elektronik uygulamalara yol açtı. Polimerimiz ısıyı termal olarak daha verimli bir şekilde iletebilir ve atabilir. Polimerlerin mevcut elektronik cihaz kasalarına alternatif olabilecek kendiliğinden soğuyabilme sistemi gibi gelişmiş termal yönetim uygulamaları için yeni nesil ısı iletkenlerine dönüştürülebileceğini düşünüyoruz.”
Yanfei Xu, Doktora sonrası – MIT Makine Mühendisliği Bölümü
Gerilebilen Spagetti
Ortalama bir polimerin mikro yapısının derinlemesine araştırılması, malzemenin ısıyı kolayca yakalayabilmesinin ardındaki nedenleri ortaya koymaktadır. Mikroskobik ölçekte, polimerler uzun monomer zincirlerinden veya uç uca bağlı moleküler birimlerden oluşur. Bu zincirler genellikle spagetti benzeri bir top içinde dolaşık olarak bulunurlar. Isı taşıyıcıları, bu düzensiz yapıdan çok zor geçer ve polimerik düğümler içinde sıkışıp kalmaya eğilimli olurlar. Ancak, bilim insanları bu doğal termal yalıtkanları iletkenlere dönüştürmek için çaba sarf ettiler. Elektronik alanında Polimerler, kimyasal olarak inert, esnek ve hafif oldukları için üstün bir karakteristikle katkı sağlarlardı. Polimerler elektriği iletmezler ve böylece kullanıcıların elinde cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi cihazların kısa devre yapmasını önlemek amacıyla kullanılabilirler. Yakın geçmişte Chen’in ekibinin de dahil olduğu farklı ekipler, 2010 yılında standart bir polietilen numunesi kullanarak “ultra-gerilmiş nanofiberler” geliştirmek için bir teknik tasarladı. Bu teknik, düzensiz, dağınık polimerlerin; birbirine dolaşmış süsleme ışıklarını açmaya benzer bir şekilde, gerilerek sıralı, ultra ince zincirlere dönüştürülmesine dayanır.
Chen, elde edilen zincirlerin ısının malzemenin içinden kolayca girip geçmesine izin verdiğini ve ayrıca polimerin ısıyı sıradan plastiklerden 300 kat daha fazla iletebildiğini keşfetti. Ancak yalıtkana dönüşmüş iletken , ısıyı sadece bir yönde, yani her polimer zincirinin uzunluğu boyunca dağıtabilmektedir. Isı zayıf Van der Waals kuvvetlerine bağlı olarak polimer zincirleri arasında hareket edememiştir. Bu kuvvetler tipik olarak birbirine yakın iki veya daha fazla molekülü çekmektedir. Xu, bir polimer malzemenin her yöne ısı yayıp yayamayacağını merak etti. Xu, bu çalışmayı, molekül içi ve moleküller arası kuvvetleri aynı anda düzenleyerek yüksek ısı iletkenliğine sahip olan polimerler yaratmak amacıyla tasarladı. Bu, onun, ısının hem polimer zincirleri arasında hem de boyunca etkin hareketine imkan sağlayacağına inandığı bir teknikti.
Sonunda araştırmacılar, çeşitli elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılan bir çeşit konjuge polimer olan politiofen denilen ısı iletici bir polimer sentezlemişlerdir.
Tüm Yönlerde Isının İpuçları
Xu, Chen ve Chen’in laboratuar üyeleri Gleason ve onun laboratuvar üyeleri ile işbirliği yaptı ve bir polimer iletken üretmek amacıyla, iki ayrı buharın bir hazneye ve bunların etkileşip bir tabaka oluşturacakları bir substratın üzerine yönlendirilmesine dayanan oksidatif kimyasal buhar biriktirme (oCVD) metodunu kullanarak inovatif bir yöntem geliştirdi. Xu, “Bizim reaksiyonumuz normal polimerlerdeki buruk spagetti görünümlü ipliklerin yerine sağlam polimer zincirleri yaratmayı başardı” dedi.
Burada Wang, oksidantın, bir monomer buharıyla beraber bir hazne içerisine akmasını sağladı. Monomerler oksitlendikten sonra polimer olarak adlandırılan zincirlere dönüşen bireysel moleküler birimlerdir.
Wang, “CVD teknolojisinin kendine ait büyüme mekanizmasını güçlendirerek polimerleri, oksidant ve monomerlerin absorbe edilip reaksiyona sokuldukları silikon-cam substratın üzerinde çoğalttık” dedi.
Wang büyük ölçekli numuneler sentezledi. Bu numuneler parmak izi boyutuna yakın olup, 2 cm2 yüzeye sahipti.
Xu, “Bu numune, güneş panelleri, organik alan etkili transistörler ve OLED’ler gibi çok farklı yerlerde kullanıldığı için, malzemeye termal iletme özelliği verilebilirse bütün organik elektronik parçalarda ısınmayı engelleyebilir” dedi.
Her bir numunenin termal iletkenliği araştırmacılar tarafından zaman alanlı yansıtma bölgesi kullanılarak ölçüldü. Bu yöntemde maddenin yüzeyini ısıtmak için yüzeyine lazer ışını gönderilir ve ardından ısı malzemenin üzerine yayılırken malzemenin yansıtma oranı ölçülerek yüzey sıcaklığındaki düşüş gözlemlenir.
Zhou, “Yüzey sıcaklındaki düşüşün geçici profili ısı yayılım hızına bağlıdır, biz de buradan termal iletkenliği hesaplayabildik” dedi.
Tipik olarak polimer numuneleri 2W/mK civarında ısı iletebiliyordu, ki bu da geleneksel polimerlerden elde edilenden yaklaşık on kat daha hızlıdır. Argonne National Labarotory’de Jiang ve Xu polimer numunelerinin nerdeyse izotopik, diğer bir değişle tek düzenli göründüğünü keşfetti. Bu da gösteriyor ki maddenin karakteristik özelliklerinin, örneğin termal iletkenlik özelliğinin de tek düzenli olması gerekiyor. Bu çıkarımın ardından araştırmacılar malzemenin ısıyı her yönde aynı şekilde iletebilme yeteneğine sahip olması, dolayısıyla daha iyi soğuyabilmesi gerektiği sonucuna vardılar.
Gelecekte araştırmacılar polimer iletkenliğinin ardındaki temel fiziksel özellikleri ve bu malzemelerin elektronikte ve batarya dış kaplamaları, basılı elektronik devre kartı filmleri gibi başka ürünlerde de kullanma yollarını araştırmaya devam edecekler.
“Doğrudan ve uygun olarak bu malzemeleri silikon levhalara ve çeşitli elektronik aletlere kaplayabiliriz. Eğer termal iletimin düzensiz yapılarda nasıl işlediğini anlayabilirsek belki yüksek termal iletkenliği sağlayabilir ve yaygın yüksek ısınma problemini çözerek daha iyi termal kontrol sağlayabiliriz.”
Yanfei Xu, Doktora sonrası – MIT Makine Mühendisliği Bölümü
Kaynak : azom.com
