麻省理工學院的工程師們發現的聚合物薄膜材料比許多金屬(包括鋼）和陶瓷的導熱性能更好。該研究成果可能會刺激聚合物絕緣體的研究發展，將其作為傳統金屬導熱材料的輕質、柔性和耐腐蝕替代品。
聚合物通常是保溫材料的首選材料。硅膠烤箱手套或聚苯乙烯泡沫塑料咖啡杯，兩者都是由聚合物材料製成，這些材料都能很好地的捕集熱量。
現在，麻省理工學院的工程師們已經通過製造能夠傳導熱量的聚合物薄膜，改變了標準聚合物絕緣體的圖景。在實驗中，他們發現的薄膜材料比塑料薄膜薄，比許多金屬(包括鋼）和陶瓷的導熱性能更好。該研究小組的研究成果發表在Nature Communications雜誌上(“具有金屬狀導熱係數的納米結構聚合物薄膜”)，可能會刺激聚合物絕緣體的研究發展，將其作為傳統金屬導熱材料的輕質、柔性和耐腐蝕替代品，適用於筆記本電腦和手機中的散熱材料，以及汽車和冰箱中的冷卻元件。
2010年，該團隊報告說，製造出熱傳導率是普通聚乙烯300倍的聚乙烯薄纖維，其導熱性能可與大多數金屬媲美。他們的研究結果發表在Nature Nanotechnology雜誌（“具有極高導熱係數的聚乙烯納米纖維”）上，引起了各行業的關注，包括熱交換器，計算機核心處理器甚至賽車製造商。
他們很快就發現，為了使聚合物導體適用於任何類似應用，材料必須從超薄纖維（單根纖維直徑為人類頭髮直徑的百分之一）擴大到更易處理的薄膜。研究人員不僅必須想出一種方法來製造聚合物導熱片，而且他們還必須定製一種裝置來測試材料的熱傳導，並開發計算機代碼來分析材料微觀結構的圖像。
最後，研究小組從一種商用聚乙烯粉末開始，成功地製作了導電聚合物薄膜。一般情況下，聚乙烯和大多數聚合物的微觀結構是類似於意大利麵一樣的分子鏈纏結，熱量很難通過這種雜亂無章的結構，這解釋了聚合物固有的絕緣性能。
研究人員想方設法解開聚乙烯的分子結，形成平行鏈，熱量可以更好地傳導。為了做到這一點，他們將聚乙烯粉末溶解在一種溶液中，這種溶液會促使纏繞的鏈膨脹和解開。定製的流動系統進一步解開分子鏈，並將溶液噴出到液氮冷卻板上形成厚膜，然後將其放置在卷對卷拉絲機上，加熱並拉伸薄膜直到它比保鮮膜更薄。然後該團隊建立了一個測試薄膜熱傳導的裝置。結果表明，研究小組的薄膜比大多數聚合物高兩個數量級，而且比鋼和陶瓷還要導電。
為了解這些工程聚乙烯薄膜為何具有如此高的導熱率，該團隊在美國能源部的阿貢國家實驗室的先進光子源（APS）進行了X射線散射實驗。通過對超薄薄膜進行成像，研究人員觀察到，具有更好熱傳導性的薄膜由納米纖維組成，其隨機捲曲鏈較少，而普通聚合物則類似於纏結的意大利麵條。他們的觀察可以幫助研究人員設計聚合物微結構以有效地傳導熱量。
展望未來，研究人員正在尋找通過調整製造工藝和試驗不同類型聚合物來製造更好的聚合物導熱體的方法。該團隊的聚乙烯薄膜僅沿構成薄膜的纖維長度方向傳導熱量。這種單向熱導體可用於在諸如膝上型電腦和其他電子設備之類的設備內以特定方向傳送熱量。但理想情況下，薄膜應該在任何方向上更有效地散熱。
研究人員說：“如果我們有一個具有良好導熱性的各向同性聚合物，那麼我們可以很容易地將這種材料混合成一種複合材料，並且我們可以潛在地替代大量的導電材料。所以我們正在研究所有三維的更好的熱傳導材料。”
資料來源：美國麻省理工學院
