В новом исследовании исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разработали и продемонстрировали новый тип полимера, демонстрирующий переключаемую теплопроводность, контролируемую светом. Материал может направлять теплопроводность по запросу и предоставлять новые, более умные способы управления теплом.
Результаты сообщаются в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Полимеры широко используются в инженерных системах, но эти материалы почти всегда считались термостатическими. Открытие полимеров, которые можно оптически запускать для быстрого переключения между теплопроводящим и изолирующим состояниями, откроет совершенно новые возможности в теплотехнике », – пояснил Пол Браун, профессор материаловедения и инженерии (MatSE) и директор лаборатории исследования материалов штата Иллинойс.
"Насколько нам известно, это первое наблюдение инициируемого светом обратимого перехода кристалл-жидкость в любом полимерном материале. Особенно примечательным открытием в этом исследовании является быстрое обратимое трехкратное изменение теплопроводности, связанное с фазовым переходом », – объяснил Чону Шин, специалист по MatSE Ph.D. студент в Иллинойсе.
Полимер с термическим переключением, разработанный исследовательской группой из Иллинойса, демонстрирует мощный контроль теплофизических свойств полимера в ответ на свет.
Эта способность происходит от светочувствительной молекулы азобензола, которая может оптически возбуждаться ультрафиолетом (УФ) и видимым светом.
«Мы синтезировали сложный полимер, функционализированный светочувствительными азобензольными группами. «Освещая ультрафиолетовым и видимым светом, мы можем изменить форму группы азобензола, модулировать силу межцепочечных связей и управлять обратимым переходом между кристаллом и жидкостью», – сказал Джаук Сун, специалист по MatSE Ph.D. студент в Иллинойсе.
Чтобы зафиксировать переходы теплопроводности азобензольных полимеров при световом освещении, исследовательская группа из Иллинойса использовала метод, называемый термоотражением во временной области (TDTR), разработанный Дэвидом Кэхиллом, профессором MatSE из Иллинойса.
"То, как тепло переносится в полимере, связано с диффузией колебательных мод. В упорядоченных кристаллах эти колебательные моды распространяются намного дальше, чем то, что наблюдается в неупорядоченных жидкостях. В результате резкое изменение молекулярного порядка полимера может значительно изменить теплопроводность », – сказал Дэвид Кэхилл.
Это резкое изменение макромолекулярного порядка, e.грамм., кристалл-жидкость, редко встречается в природе и ранее не сообщалось ни о какой полимерной системе в ответ на свет. Таким образом, выяснение механизма инициируемого светом фазового перехода было критичным для понимания уникального поведения полимера.
«Мы могли наблюдать, что под воздействием света этот материал быстро переключается из одного состояния в другое с совершенно разными свойствами теплопередачи. Мы использовали рассеяние рентгеновских лучей на основе синхротрона, чтобы выяснить структуру, связанную с каждым состоянием во время трансформации, замкнув цикл функции синтеза-характеристики для этого сложного полимера », – добавила Сесилия Лил, профессор MatSE из Иллинойса.
"Сохранять электрическое устройство в тепле так же важно, как и держать его в холоде. Материалы с такой переключаемой теплопроводностью позволят сохранить электрифицированные системы безопасными, надежными и эффективными даже в экстремальных условиях."объяснил Эндрю Аллейн, директор Центра инженерных исследований по оптимизации мощности электротермических систем (POETS), спонсируемого Национальным научным фондом (NSF), который поддерживал эту работу, и профессор механических наук и инженерии в Иллинойсе.
«Возможность быстро переключать тепловые свойства полимера под воздействием света открывает новые захватывающие пути для управления теплопереносом и преобразованием энергии на молекулярном уровне», – добавила Нэнси Соттос, профессор MatSE из Иллинойса.
Это открытие является ярким примером того, как свет можно использовать для управления теплопроводностью полимеров.
Лучшее понимание физической взаимосвязи между теплопроводностью и макромолекулярным упорядочением также поможет расширить границы традиционных полимеров.