Novo estudo revela que os polímeros com cargas defeituosas aumentam a transferência de calor nos plásticos
A equipa de investigação desafia a ideia convencional de que as cargas perfeitas são melhores para fabricar polímeros termicamente condutores
Na tentativa de conceber a próxima geração de materiais para dispositivos modernos - que sejam leves, flexíveis e excelentes na dissipação de calor - uma equipa de investigadores liderada pela Universidade de Massachusetts Amherst fez uma descoberta: a imperfeição tem as suas vantagens.
Estas ilustrações mostram polímeros (os tubos longos) preenchidos com cargas perfeitas (em cima, grafite) ou imperfeitas (em baixo, óxido de grafite).
Yijie Zhou, UMass Amherst
Esta investigação, publicada na revista Science Advances, descobriu experimental e teoricamente que os polímeros (vulgarmente designados por plásticos) fabricados com cargas termicamente condutoras que contêm defeitos têm um desempenho 160% superior ao dos polímeros com cargas perfeitas. Esta descoberta contra-intuitiva desafia os pressupostos de longa data de que os defeitos comprometem o desempenho dos materiais. Em vez disso, aponta para uma nova e promissora estratégia de engenharia de compósitos poliméricos com condutividade térmica ultraelevada.
O estudo foi liderado pela UMass Amherst com colaboradores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, da Universidade Estatal da Carolina do Norte, da Universidade de Stanford, do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Laboratório Nacional de Argonne e da Universidade de Rice.
Os polímeros revolucionaram os dispositivos modernos com a sua incomparável leveza, isolamento elétrico, flexibilidade e facilidade de processamento - qualidades que os metais e as cerâmicas simplesmente não conseguem rivalizar. Os polímeros estão incorporados em todos os cantos do nosso panorama tecnológico, desde microchips de alta velocidade e LEDs a smartphones e robótica suave. No entanto, os polímeros comuns são isolantes térmicos com baixa condutividade térmica, o que pode levar a problemas de sobreaquecimento. As suas propriedades isolantes inerentes retêm o calor, dando origem a perigosos pontos quentes que minam o desempenho e aceleram o desgaste, aumentando o risco de falhas catastróficas e até de incêndios.
Durante anos, os cientistas tentaram melhorar a condutividade térmica dos polímeros incorporando cargas altamente condutoras de calor, como metais, cerâmicas ou materiais à base de carbono. A lógica é simples: a mistura de cargas termicamente condutoras deveria melhorar o desempenho global.
No entanto, na prática, não é assim tão simples. Consideremos um polímero misturado com diamantes.
Dada a excecional condutividade térmica de um diamante de cerca de 2.000 watts por metro por kelvin (W m-1 K-1), um polímero composto por 40% de carga de diamante poderia teoricamente atingir uma condutividade de cerca de 800 W m-1 K-1. No entanto, os resultados práticos ficaram aquém do esperado devido a desafios como a aglomeração de cargas, defeitos, elevada resistência ao contacto entre polímeros e cargas e baixa condutividade térmica das matrizes poliméricas, que prejudicam a transferência de calor.
"A compreensão dos mecanismos de transporte térmico em materiais poliméricos tem sido um desafio de longa data, em parte devido às estruturas complicadas dos polímeros, aos defeitos omnipresentes e às perturbações", afirma Yanfei Xu, professor assistente de engenharia mecânica e industrial da UMass Amherst e autor correspondente do artigo.
Para o seu estudo, que visa lançar as bases para a compreensão do transporte térmico em materiais poliméricos e controlar a transferência de calor através de interfaces heterogéneas, a equipa criou dois compósitos poliméricos de álcool polivinílico (PVA) - um incorporando cargas de grafite perfeitas e o outro utilizando cargas de óxido de grafite defeituosas, cada uma com uma fração volumétrica baixa de 5%.
Como esperado, os enchimentos perfeitos eram, por si só, mais condutores de calor do que os imperfeitos.
"Medimos que os enchimentos perfeitos (grafite) por si só têm uma elevada condutividade térmica de cerca de 292,55 W m-1 K-1 em comparação com apenas 66,29 W m-1 K-1 para os defeituosos (óxido de grafite) por si só - uma diferença quase cinco vezes maior", diz Yijie Zhou, o autor principal e estudante de pós-graduação em engenharia mecânica na UMass Amherst.
No entanto, surpreendentemente, quando estas cargas são adicionadas aos polímeros, os polímeros feitos com cargas de óxido de grafite com defeitos têm um desempenho 160% melhor do que os que têm cargas de grafite perfeitas.
A equipa utilizou uma combinação de experiências e modelos - medições de transporte térmico, dispersão de neutrões, modelação mecânica quântica e simulações de dinâmica molecular - para estudar a forma como os defeitos influenciam o transporte térmico em compósitos de polímeros.
Descobriram que os enchimentos defeituosos facilitam uma transferência de calor mais eficiente porque as suas superfícies irregulares não permitem que as cadeias de polímeros se agrupem tão firmemente como os enchimentos perfeitamente lisos. Este efeito inesperado, conhecido como acoplamentos vibracionais melhorados entre os polímeros e os enchimentos defeituosos nas interfaces polímero/enchimento, aumenta a condutividade térmica e reduz a resistência, tornando o material mais eficiente na transferência de calor.
"Os defeitos funcionam, por vezes, como pontes, aumentando o acoplamento através da interface e permitindo um melhor fluxo de calor", afirma Jun Liu, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade Estatal da Carolina do Norte. "De facto, a imperfeição pode, por vezes, conduzir a melhores resultados".
Xu acredita que estes resultados, tanto experimentais como teóricos, lançam as bases para a engenharia de novos materiais poliméricos com uma condutividade térmica ultra elevada. Estes materiais avançados apresentam novas oportunidades para os dispositivos - desde microchips de alto desempenho até à próxima geração de robótica macia - funcionarem de forma mais fresca e eficiente através de uma melhor dissipação de calor.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
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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