Mühendisler Plastik Yalıtkanı Isı İletkene Çevirdiler
Fotoğraf : Bu yeni teknik; laptop, cep telefonu ve diğer elektroniklerin aşırı ısınmasının önüne geçebilir. (Chelsea Turner/MIT)
Bu teknik; laptop, cep telefonu ve diğer elektronikleri aşırı ısınmadan koruyabilir.
Laptopunuz ya da cep telefonunuz aşırı mı ısınıyor? Bu yeni mühendislik plastiği yaygın kullandığımız elektronikler için kendi kendini soğutan kasaların yapımında kullanılabilir.
Plastikler mükemmel yalıtkanlar olarak ısıyı çok etkili bir biçimde yakalayabiliyorlar. Bu özellik, kahve fincanı kılıfı gibi uygulamalarda çok avantajlı olabiliyor. Ancak, bu yalıtkanlık özelliği laptop ya da cep telefonu gibi aşırı ısınabilen ürünlerin plastik kasasının yapımında tercih edilmiyor çünkü bu cihazların kasaları cihazın ürettiği tüm ısıyı yakalıyor.
MIT’den bir mühendis grubu ısı iletken bir polimer geliştirdi. Bu plastik malzeme, zannedilenin aksine, ısıyı iletmeyen ancak ısıyı yayan bir özellik sergiliyor. Oldukça esnek ve hafif olan bu yeni polimerler, sıkça kullanılan ticari polimerlere göre 10 kat daha fazla ısı iletebiliyor.
MIT Makine Mühendisliği Bölümü’nden Postdoc Yanfei Xu, “Geleneksel polimerler hem elektrik hem de ısı yalıtkan özellik gösteriyorlar. Elektriksel iletkenliği olan polimerlerin bulunması ve geliştirilmesi, esnek akranlar ve giyilebilir biyosensörler gibi çığır açan elektronik uygulamalara imkan sağladı” diyor. “Bizim polimerimiz ısıyı çok daha verimli bir biçimde iletebiliyor ve ortadan kaldırabiliyor. Polimerlerin, mevcut elektronik kasalarına alternatif olarak, ileri ısı yönetim uygulamalarında kullanılacak yeni nesil kendi kendini soğutan ısı iletim elemanları olduğunu düşünüyoruz”.
Xu ve postdoc, lisansüstü öğrenciler ve fakülte üyelerinden oluşan ekibi, çalışmalarından elde ettikleri sonuçları Science Advances dergisinde yayınladılar. Proje ekibi; çalışmaya Xu ile eşdeğer katkı veren Xiaoxue Wang’in yanı sıra Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, Samuel Huberman; Zhang Jiang, Karen Gleason, Prof. Dr. Alexander I. Michael Kasser, Prof. Dr. Gang Chen ve Prof. Dr. Carl Richard Soderberg’den oluşuyor.
Esneyen Spagetti
Ortalama bir polimerim mikro yapısına yakından bakıldığında, neden ısıyı kolayca yakalayabildiği rahatça görülebilir. Mikroskopik seviyede bakıldığında, polimerler monomer ismi verilen moleküler birimlerin uç uca bağlanmasıyla oluşan bir zincirdir. Bu zincirler zaman zaman bir spagetti düğümü gibi katlanabilirler. Isı, bu düzensiz dağınıklığın içinden geçmekte zorlanır ve polimerik eğim bükümler arasında kaybolur.
Hal böyleyken, araştırmacılar bu doğal ısı yalıtkanlarını iletken hale getirmek için çalışmalar yürüttüler. Polimerler; hafiflik, esneklik ve kimyasal olarak etkisiz olma gibi çeşitli özelliklere sahip olabilirler. Polimerler ayrıca, elektriksel yalıtkanlık da gösterebilirler ki bu durum elektronik aletlerin kasa yapımında kullanılabilecek ve kullanıcının eliyle temas ederek kısa devre yapmayacak malzemeler oldukları anlamına gelir.
2010 yılında standart polietilen numunelerden üretilen ultra çekilmiş nanofiberler geliştirmeyi sağlayan bir yöntem icat eden Chen Araştırma Grubu’nun da aralarında bulunduğu pek çok grup son yıllarda mühendislik polimerleri üzerine çok sayıda geliştirme yapıyor. Chen’in geliştirdiği teknik, düzensiz, karışık yapıdaki polimerleri, ultra ince ve düzenli zincirler haline gelecek şekilde esnetiyor. Chen’in elde ettiği yeni zincirler sayesinde geliştirilen malzemeler, geleneksel plastiklere göre 300 kat daha fazla ısı iletiyor.
Ancak ısı iletken hale getirilmiş yalıtkanlar ısıyı ancak polimer zincirleri boyunca tek yönde dağıtabiliyor. Isı; zayıf Van der Waals etkileşimleri nedeniyle; polimer zincirleri arasında geçiş yapamıyor. Xu, polimerlerin ısıyı da her yönde dağıtıp dağıtamayacaklarını merak ederek bu çalışmayı başlattığını belirtiyor.
Xu, moleküller içi ve moleküller arası etkileşimlere anlık müdahale etmeyi sağlayan bir yöntem geliştirerek ısıyı zincirler boyunca ve zincirler arası aktarabilmeyi umut ediyor.
Ekip, son olarak politiofen ismiyle bilinen ısı iletken bir konjuge polimeri geliştirmeyi başardı. Bu polimer genel olarak pek çok elektronik cihazda kullanılabiliyor.
Her Yönde Isı İpuçları
Xu, Chene ve Chen’in çalışma grubu üyeleri Gleason ve ekibi ile birleşerek, iletken polimer yapısının üzerinde mühendislik çalışmaları yapabilmek için yeni bir oksitleyici kimyasal buhar çökeltme yöntemi geliştirdiler. Bu yöntem, iki buharın bir odaya ve substrat üzerine yönlendirilmesi ve substrat üzerinde bir film oluşturacak şekilde etkileşime sokulması ile gerçekleştiriliyor.
Bu durumda, Wang oksitleyici buharın, monomer buharı ile birlikte bir odaya akmasını sağladıktan sonra oksitleşmenin gerçekleşmesini bekleyerek polimer zincirlerini oluşturabiliyor.
Wang, “Polimerleri; CVD teknolojisinin benzersiz kendinden kaynaklı büyüme mekanizmasını geliştirerek; oksitleyici ve monomerlerin üzerinde reaksiyona girebileceği silikon/cam substratlar üzerinde büyüttük” diyor.
Wang yaklaşık 2 cm2’lik bir başparmağı boyutunda büyük ölçekli numuneler üretmeyi başardıklarını belirtiyor. Xu ise “Bu numune hali hazırda güneş hücreleri, organik alan etkili tranzistörler ve OLEDlerde kullanıldığı için, eğer termal iletken hale getirilebilirse, organik elektroniklerde biriken tüm ısıyı yayabilir” diyor.
Çalışma ekibi elde ettikleri her numunenin termal iletkenliğini zaman-alan termal yansıtma tekniğini kullanarak ölçüyor. Zhou, “Yüzey sıcaklığının azalma profili ısı yayma hızıyla bağlantı gösteriyor. Bu sayede biz termal iletkenliği matematiksel hale getirebiliyoruz” diyor.
Elde edilen sonuçların ortalamasına bakıldığında, geleneksel polimerlerin ulaştığından 10 kat daha hızlı, yaklaşık 2 watt/mK seviyesinde ısı iletkenlik hızına ulaşıldığı belirtiliyor. Argon Ulusal Laboratuvarı’ndan Jiang ve Xu’nun bulgularına göre polimer örnekleri neredeyse izotropik, düzenli bir yapıda gözlemleniyor. Bu durumda elde edilen malzemenin özelliklerinin de neredeyse düzenli bir değişim göstermesi bekleniyor. Bu mantıkla hareket ederek, çalışma ekibi bu malzemenin ısıyı tüm yönlerde eşit bir biçimde yayabileceğini ve ısı yayama potansiyelinin yükseleceğini ön görüyor.
Buradan yola çıkarak, proje ekibi polimer iletkenliğinin arkasında yatan temel fizik mekanizmasının detaylarını ortaya çıkartmaya devam ederek, elde ettikleri kritik noktaları yeni geliştirilen malzemeye uyarlayarak, malzemeyi elektroniklerde ve diğer cihazlarda batarya kutuları, filmler veya devre malzemelerinde kullanılabilir hale getirdiler.
Xu, bu malzemeyi silikon altlıklara ve farklı elektronik tabanlı malzemelere doğrudan ve kolayca kaplayabildiklerini belirtiyor. “ Eğer düzensiz yapılarda ısı taşınmasının nasıl ilerlediğini anlayabilirsek, daha yüksek ısıl iletkenlik için malzemeleri zorlayabiliriz. Bu şekilde yaygın görülen elektronik malzemelerin ısınması sorununa daha iyi bir ısı kontrol ile cevap verebiliriz.”
Bu çalışma; ABD Enerji Bölümü Temek Bilimler Birimi ve MIT Deshpande Merkezi tarafından desteklenmiştir.
Kaynak : sciencedaily.com
