Un nuovo studio rivela che i polimeri con cariche imperfette aumentano il trasferimento di calore nelle materie plastiche
Il team di ricerca sfida la saggezza convenzionale secondo cui i riempitivi perfetti sono migliori per realizzare polimeri termoconduttivi
Nel tentativo di progettare la prossima generazione di materiali per i dispositivi moderni - leggeri, flessibili ed eccellenti nel dissipare il calore - un team di ricercatori guidato dall'Università del Massachusetts Amherst ha fatto una scoperta: l'imperfezione ha i suoi lati positivi.
Queste illustrazioni mostrano polimeri (i lunghi tubi) riempiti con cariche perfette (in alto, grafite) o imperfette (in basso, ossido di grafite).
Yijie Zhou, UMass Amherst
La ricerca, pubblicata su Science Advances, ha rilevato sperimentalmente e teoricamente che i polimeri (comunemente chiamati plastiche) realizzati con cariche termicamente conduttive contenenti difetti hanno prestazioni superiori del 160% rispetto a quelli con cariche perfette. Questa scoperta controintuitiva mette in discussione l'ipotesi, sostenuta da tempo, che i difetti compromettano le prestazioni dei materiali. Al contrario, indica una nuova e promettente strategia per la progettazione di compositi polimerici ad altissima conducibilità termica.
Lo studio è stato condotto dall'UMass Amherst con collaboratori del Massachusetts Institute of Technology, della North Carolina State University, della Stanford University, dell'Oak Ridge National Laboratory, dell'Argonne National Laboratory e della Rice University.
I polimeri hanno rivoluzionato i dispositivi moderni grazie alla loro impareggiabile leggerezza, all'isolamento elettrico, alla flessibilità e alla facilità di lavorazione - qualità che metalli e ceramiche non possono competere. I polimeri sono presenti in ogni angolo del nostro panorama tecnologico, dai microchip ad alta velocità ai LED, dagli smartphone alla robotica soft. Tuttavia, i polimeri comuni sono isolanti termici con una bassa conduttività termica, che può portare a problemi di surriscaldamento. Le loro proprietà isolanti intrinseche intrappolano il calore, generando pericolosi punti caldi che compromettono le prestazioni e accelerano l'usura, aumentando il rischio di guasti catastrofici e persino di incendi.
Per anni, gli scienziati hanno cercato di migliorare la conduttività termica dei polimeri incorporando cariche altamente conduttive come metalli, ceramiche o materiali a base di carbonio. La logica è semplice: l'inserimento di cariche termoconduttive dovrebbe migliorare le prestazioni complessive.
In pratica, però, non è così semplice. Consideriamo un polimero miscelato con diamanti.
Data l'eccezionale conducibilità termica del diamante, pari a circa 2.000 watt per metro per kelvin (W m-1 K-1), un polimero composto per il 40% da cariche di diamante potrebbe teoricamente raggiungere una conducibilità di circa 800 W m-1 K-1 . Tuttavia, i risultati pratici sono stati inferiori a causa di problemi quali l'agglomerazione delle cariche, i difetti, l'elevata resistenza al contatto tra polimeri e cariche e la bassa conducibilità termica delle matrici polimeriche, che compromettono il trasferimento di calore.
"La comprensione dei meccanismi di trasporto termico nei materiali polimerici è una sfida di lunga data, in parte dovuta alle complicate strutture dei polimeri, ai difetti onnipresenti e ai disturbi", afferma Yanfei Xu, assistente alla cattedra di ingegneria meccanica e industriale dell'UMass Amherst e autore corrispondente dell'articolo.
Per il loro studio, volto a gettare le basi per la comprensione del trasporto termico nei materiali polimerici e per il controllo del trasferimento di calore attraverso le interfacce eterogenee, il team ha creato due compositi polimerici di alcool polivinilico (PVA) - uno che incorporava riempitivi perfetti di grafite e l'altro che utilizzava riempitivi difettosi di ossido di grafite, ciascuno con una bassa frazione volumetrica del 5%.
Come previsto, le cariche perfette da sole erano più termoconduttive di quelle imperfette.
"Abbiamo misurato che i riempitivi perfetti (grafite) da soli hanno un'elevata conducibilità termica, pari a circa 292,55 W m-1 K-1, rispetto ai soli 66,29 W m-1 K-1 di quelli difettosi (ossido di grafite) da soli - una differenza quasi quintuplicata", spiega Yijie Zhou, autore principale e studente di ingegneria meccanica presso la UMass Amherst.
Tuttavia, sorprendentemente, quando questi riempitivi sono stati aggiunti ai polimeri, i polimeri realizzati con riempitivi di ossido di grafite contenenti difetti hanno ottenuto risultati migliori del 160% rispetto a quelli con riempitivi di grafite perfetti.
Il team ha utilizzato una combinazione di esperimenti e modelli - misure di trasporto termico, scattering di neutroni, modellazione meccanica quantistica e simulazioni di dinamica molecolare - per studiare come i difetti influenzano il trasporto termico nei compositi polimerici.
Hanno scoperto che i riempitivi difettosi facilitano un trasferimento di calore più efficiente perché le loro superfici irregolari non consentono alle catene polimeriche di compattarsi così strettamente come fanno i riempitivi perfettamente lisci. Questo effetto inaspettato, noto come accoppiamento vibrazionale potenziato tra i polimeri e i riempitivi difettosi alle interfacce polimero/riempitivo, aumenta la conduttività termica e riduce la resistenza, rendendo il materiale più efficiente nel trasferimento del calore.
"I difetti, a volte, agiscono come ponti, migliorando l'accoppiamento attraverso l'interfaccia e consentendo un migliore flusso di calore", spiega Jun Liu, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della North Carolina State University. "In effetti, l'imperfezione può talvolta portare a risultati migliori".
Xu ritiene che questi risultati, sia sperimentali che teorici, pongano le basi per l'ingegnerizzazione di nuovi materiali polimerici ad altissima conducibilità termica. Questi materiali avanzati presentano nuove opportunità per i dispositivi - dai microchip ad alte prestazioni alla robotica morbida di prossima generazione - di funzionare in modo più fresco ed efficiente grazie a una migliore dissipazione del calore.
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Pubblicazione originale
Yijie Zhou, Robert Ciarla, Artittaya Boonkird, Saqlain Raza, Thanh Nguyen, Jiawei Zhou, Naresh C. Osti, Eugene Mamontov, Zhang Jiang, Xiaobing Zuo, Jeewan Ranasinghe, Weiguo Hu, Brendan Scott, Jihua Chen, Dale K. Hensley, Shengxi Huang, Jun Liu, Mingda Li, Yanfei Xu; "Defects vibrations engineering for enhancing interfacial thermal transport in polymer composites"; Science Advances, Volume 11
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