Это исследование, опубликованное в журнале Science Advances, экспериментально и теоретически показало, что полимеры (обычно называемые пластмассами), изготовленные с теплопроводящими наполнителями, содержащими дефекты, работают на 160% лучше, чем полимеры с идеальными наполнителями. Это противоречащее здравому смыслу открытие бросает вызов давним предположениям о том, что дефекты снижают эксплуатационные характеристики материала. Напротив, это указывает на новую многообещающую стратегию создания полимерных композитов со сверхвысокой теплопроводностью.

Исследованием руководил Умасс Амхерст с сотрудниками из Массачусетского технологического института, Университета штата Северная Каролина, Стэнфордского университета, Национальной лаборатории Ок-Ридж, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Райса.

Полимеры произвели революцию в современных устройствах благодаря своей непревзойденной легкости, электрической изоляции, гибкости и простоте обработки - качествам, с которыми металлы и керамика просто не могут соперничать. Полимеры внедрены во все сферы нашей технологической сферы, от высокоскоростных микрочипов и светодиодов до смартфонов и мягкой робототехники. Однако распространенные полимеры являются теплоизоляторами с низкой теплопроводностью, что может привести к проблемам с перегревом. Присущие им изоляционные свойства удерживают тепло, создавая опасные горячие точки, которые снижают производительность и ускоряют износ, повышая риск катастрофических отказов и даже пожаров.

В течение многих лет ученые пытались повысить теплопроводность полимеров путем введения наполнителей с высокой теплопроводностью, таких как металлы, керамика или материалы на основе углерода. Логика проста: смешивание теплопроводящих наполнителей должно улучшить общую производительность.

Однако на практике все не так просто. Рассмотрим полимер, смешанный с алмазами.

Учитывая исключительную теплопроводность алмаза, составляющую около 2000 Вт на метр по кельвину (Вт м^-1 К^-1), полимер, состоящий на 40% из алмазного наполнителя, теоретически может достигать теплопроводности около 800 Вт м^-1 К^-1. Тем не менее, практические результаты оказались недостаточными из-за таких проблем, как слипание наполнителя, дефекты, высокое контактное сопротивление между полимерами и наполнителями и низкая теплопроводность полимерных матриц, которые снижают теплопередачу.

"Понимание механизмов теплопередачи в полимерных материалах было давней проблемой, отчасти из-за сложных структур полимеров, повсеместных дефектов и нарушений", - говорит Янфэй Сюй, доцент кафедры механики и промышленного инжиниринга университета Массачусетса в Амхерсте и автор-корреспондент статьи.

Для своего исследования, направленного на то, чтобы заложить основу для понимания переноса тепла в полимерных материалах и управления теплопередачей через гетерогенные границы раздела, команда создала два полимерных композита из поливинилового спирта (PVA) - один с идеальными графитовыми наполнителями, а другой с использованием дефектных наполнителей из оксида графита, каждый с низкой объемной долей 5%.

Как и ожидалось, идеальные наполнители сами по себе обладали большей теплопроводностью, чем несовершенные.

"Мы измерили, что идеальные наполнители (графит) сами по себе обладают высокой теплопроводностью - примерно 292,55 Вт м^-1 К^-1 по сравнению только с 66,29 Вт м^-1 К^-1 для дефектных (оксид графита) - разница почти в пять раз", - говорит Ицзе Чжоу, ведущий автор исследования. и аспирант кафедры машиностроения в университете Массачусетса в Амхерсте.

Однако, что удивительно, когда эти наполнители добавляют в полимеры, полимеры, изготовленные с наполнителями из оксида графита, содержащими дефекты, работают на 160% лучше, чем полимеры с идеальными графитовыми наполнителями.

Команда использовала комбинацию экспериментов и моделей - измерения теплопереноса, рассеяние нейтронов, квантово-механическое моделирование и моделирование молекулярной динамики - для изучения того, как дефекты влияют на теплоперенос в полимерных композитах.

Они обнаружили, что дефектные наполнители способствуют более эффективной теплопередаче, поскольку их неровные поверхности не позволяют полимерным цепочкам соединяться так плотно, как это делают идеально гладкие наполнители. Этот неожиданный эффект, известный как усиленные вибрационные связи между полимерами и дефектными наполнителями на границе раздела полимер/наполнитель, повышает теплопроводность и снижает сопротивление, делая материал более эффективным при передаче тепла.

"Дефекты иногда действуют как мостики, усиливая связь на границе раздела и обеспечивая лучший тепловой поток", - говорит Джун Лю, доцент кафедры механики и аэрокосмической инженерии Университета штата Северная Каролина. "Действительно, несовершенство иногда может привести к лучшим результатам".

Сюй считает, что эти результаты, как экспериментальные, так и теоретические, закладывают основу для разработки новых полимерных материалов со сверхвысокой теплопроводностью. Эти усовершенствования открывают новые возможности для устройств - от высокопроизводительных микрочипов до мягкой робототехники следующего поколения - работать холоднее и эффективнее за счет улучшенного отвода тепла.