Termal İletken Isıyı Yayabilen Yeni Nesil Polimerler

Plastikler, ısıyı etkili bir şekilde absorbe edebilen olağanüstü izolatörlerdir – kahve fincanı gibi bir eşyada faydalı olabilecek bir özelliktir. Bununla birlikte, bu yalıtım kalitesi, cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar için plastik kılıflar gibi, kaplama cihazların ürettiği ısıyı yakalaması nedeniyle kısmen ısınabilecek olan ürünler için daha az faydalıdır.

Bugün MIT’den bir grup mühendis polimer ısı iletkeni – bir ısı iletkeni olarak işlev gören, ısıyı yalıtmak yerine ısıyı dağıtan plastik bir malzeme – yaratmıştır. Esnek ve hafif olan bu yeni polimerler, ticari olarak temin edilebilen polimerler tarafından gerçekleştirilenden 10 kat daha fazla ısı iletme yeteneğine sahiptir.

“Geleneksel polimerler hem elektriksel hem de termal olarak yalıtkandır. Elektrik iletken polimerlerin keşfi ve gelişimi, esnek ekranlar ve giyilebilir biyosensörler gibi yeni elektronik uygulamalara yol açmıştır. Polimerimiz ısıyı termal olarak daha verimli bir şekilde yürütebilir ve çıkarabilir. Polimerlerin, mevcut elektronik muhafazalara kendi kendine soğutma alternatifi gibi ileri termal yönetim uygulamaları için yeni nesil ısı iletkenlerine dönüştürülebileceğini düşünüyoruz. Yanfei Xu, Postdoc – MIT’de Makine Mühendisliği Bölümü”

Spagetti Germe

Ortalama bir polimerin mikro yapısının derinlemesine araştırılması, malzemenin ısıyı çok kolay tutabilmesinin ardındaki sebebi ortaya çıkarmaktadır. Mikroskopik ölçekte, polimerler uzun uçlu monomer zincirlerinden veya uç uca bağlı moleküler birimlerden oluşur. Bu zincirler genellikle spagetti benzeri bir top içinde karıştırılmaktadır. Isı taşıyıcıları, bu düzensiz yapıdan geçmeyi çok zor bulmaktadır bu nedenle polimerik düğümler ve kıvrımlar içinde sıkışıp kalmaya eğilimlidir.

Ancak, bilim adamları bu doğal termal izolatörleri iletkenlere dönüştürmek için çaba sarf ettiler. Elektronik alanında, polimerler, kimyasal olarak inert, esnek ve hafif oldukları için karakteristiklerin ayırt edici bir kombinasyonuna katkıda bulunacaktır. Polimerler aynı zamanda elektrik iletmeyecekleri ve böylece kullanıcıların elinde cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi cihazların kısa devre yapmasını önlemek için kullanılabilen elektrik izolatörleridir.

Yakın geçmişte, farklı ekipler,  Prof. Chen’in ekibi dahil, 2010 yılında standart bir polietilen örneğinden “ultradrawn nanofiberler” geliştirmek için bir teknik tasarlayan polimer iletkenleri tasarladılar. Bu teknik, düzensiz, dağınık polimerlerin sıralı, ultra ince zincirlere gerilmesini içerir. Chen, elde edilen zincirlerin ısının malzemenin içinden kolayca geçip gitmesine  izin verdiğini ve ayrıca polimerin sıradan plastiklerden 300 kat daha fazla ısıyı tutabildiğini keşfetti.

Bununla birlikte, yalıtkanla-iletilen-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 – kuvvetler tipik olarak birbirine yakın iki veya daha fazla molekülü çekmektedir. Xu, her yöne ısı yaymak için yeni bir polimer malzemenin yapılıp yapılmayacağını düşünerek heyecanlanmıştı.

Xu, bu çalışmayı, moleküller içi ve moleküller arası kuvvetleri aynı anda yüksek ısı iletkenliğine sahip olan polimerlerin mühendisliği için bir çalışma olarak tasarladı. Bu, polimerin zincirleri boyunca ve bu zincirler arası etkileşim ile birlikte etkili bir şekilde hareket etmesine izin vereceğine inandığı bir teknikti.

Sonunda araştırmacılar, çeşitli elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılan bir çeşit konjuge polimer olan politiofen denilen ısı iletici bir polimer sentezlemişlerdir.

Tüm Yollarda Isı İpuçları

Xu, Chen ve Chen’in laboratuar üyeleri, iki buharı bir odaya ve bir alt tabakaya yönlendirmeyi içeren oksidatif kimyasal buhar birikimini (oCVD) benimseyerek bir polimer iletkeninin mühendisliği için yenilikçi bir yöntem geliştirmek üzere Gleason ve onun laboratuar üyeleriyle işbirliği yaptılar. Xu, “Bizim reaksiyonumuz, normal polimerlerdeki bükülmüş, spagetti benzeri ipliklerden ziyade, sert polimer zincirleri oluşturabildi” dedi.

Burada Wang, oksidanı, bir monomer buharı ile birlikte bir odaya akıtıyordu. Bu, oksitlendikten sonra, polimerler olarak adlandırılan zincirlere dönüştürülmüş olan bireysel moleküler ünitelere ayrıldı.

Wang, “Polimerleri, üzerine oksidan ve monomerlerin adsorbe edildiği ve reaksiyona girdiği, CVD teknolojisinin benzersiz kendiliğinden ayarlanmış büyüme mekanizmasından faydalanan silikon / cam substratlar üzerinde büyüttük” dedi.Wang, göreceli olarak büyük ölçekli numuneleri sentezlemiştir; burada her bir numunenin boyutları, bir parmak izinin boyutuna kıyasla 2 cm2 olarak ölçülmüştür.

Prof. Xu “Çünkü bu örnek, güneş pilleri, organik alan etkili transistörler ve organik ışık yayan diyotlarda olduğu gibi her yerde kullanıldığından, bu malzeme termal olarak iletken hale getirilebiliyorsa, tüm organik elektroniklerde ısıyı dağıtabilir” demiştir.

Her bir numunenin ısıl iletkenliği, araştırmacılar tarafından zaman-alan ısıl yansıması kullanılarak ölçüldü.Burada kullanılan yöntem yüzeyin ısınması için malzemenin üzerine bir lazerin çekildiği ve daha sonra, malzemenin içine yayıldığı zaman malzemenin yansıtma derecesini ölçerek yüzey sıcaklığındaki düşüşün gözlemlenmesi şeklindedir.

Zhou, “Yüzey sıcaklığının azalmasının zamansal profili, ısı iletkenliğini hesaplayabildiğimiz ısı yayılma hızıyla ilişkilidir” dedi.

Tipik olarak, polimer numuneleri yaklaşık 2 W / m / K sıcaklıkta, geleneksel polimerler tarafından elde edilenden yaklaşık 10 kat daha hızlı ısı yayabilir. Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda, Jiang ve Xu polimer örneklerinin neredeyse izotropik veya tekdüze olarak baktıklarını keşfettiler. Bu, malzemenin özelliklerinin – örneğin, termal iletkenliğinin – de neredeyse aynı olması gerektiğini gösterir. Bu gerekçelendirmeyi takiben, araştırmacılar malzemenin ısıyı her yönüyle eşit derecede iyi bir şekilde yürütebilmeleri ve böylece ısı-yayılma kabiliyetini arttırmaları gerektiğini tahmin etmişlerdir.

Gelecekte, araştırmacılar polimer iletkenliğinin ardındaki temel fiziği ve aynı zamanda malzemenin elektronikte ve diğer ürünlerde, örneğin baskılı devre kartları için filmler ve bataryaların kılıflarında kullanılmasına izin vermenin yolların

“Bu malzemeyi silikon gofretlere ve farklı elektronik cihazlara doğrudan ve uyumlu olarak kaplayabiliriz. Termal taşımacılığın bu düzensiz yapılarda nasıl çalıştığını anlayabilirsek, belki daha yüksek ısıl iletkenliği de zorlayabiliriz. Daha sonra bu yaygın aşırı ısınma problemini çözmeye ve daha iyi bir termal yönetim sağlamaya yardımcı olabiliriz.

Yanfei Xu, Postdoc – MIT’de Makine Mühendisliği Bölümü araştırmaya devam edeceklerdir.”

ABD Enerji Bakanlığı Temel Enerji Bilimleri ve MIT Deshpande Merkezi bu çalışmayı kısmen desteklemiştir.

Xu ve bir grup doktora, yüksek lisans öğrencisi ve fakülte, 30 Mart 2018’de Science Advances dergisinde araştırma sonuçlarını bildirdiler. Grup, Xu ile birlikte çalışmaya eşit derecede katkıda bulunan Xiaoxue Wang’ı içeriyor. Gruptaki diğer araştırmacılar Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee ve Samuel Huberman idi; Zhang Jiang, Argonne Ulusal Laboratuarında fizikçi; Karen Gleason, MIT ve Alexander I. Michael Kasser Kimya Mühendisliği Profesörü yardımcı ortağı; ve MIT’nin Makine Mühendisliği Bölüm Başkanı ve Carl Richard Soderberg Power Engineering Profesörü olan Gang Chen.

Kaynak : azom.com