Os plásticos são excelentes isolantes, o que significa que eles podem prender com eficiência o calor – uma qualidade que pode ser uma vantagem em algo como uma manga de xícara de café. Mas essa propriedade isolante é menos desejável em produtos como invólucros de plástico para laptops e telefones celulares, que podem superaquecer, em parte porque os revestimentos prendem o calor que os dispositivos produzem.
Agora, uma equipe de engenheiros do MIT desenvolveu um condutor térmico de polímero – um material plástico que, no entanto, contraintuitivamente, funciona como um condutor de calor, dissipando o calor em vez de isolá-lo. Os novos polímeros, que são leves e flexíveis, podem conduzir 10 vezes mais calor do que a maioria dos polímeros comercialmente usados.
“Os polímeros tradicionais são isolantes elétrica e termicamente. A descoberta e o desenvolvimento de polímeros eletricamente condutivos levaram a novas aplicações eletrônicas, como displays flexíveis e biossensores usáveis”, diz Yanfei Xu, pós-doutorando no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Nosso polímero pode conduzir termicamente e remover o calor com muito mais eficiência. Acreditamos que os polímeros possam ser transformados em condutores de calor de última geração para aplicações avançadas de gerenciamento térmico, como uma alternativa de autorresfriamento para os gabinetes eletrônicos existentes”.
Xu e uma equipe de pós-docs, estudantes de pós-graduação e professores publicaram seus resultados hoje na Science Advances . A equipe inclui Xiaoxue Wang, que contribuiu igualmente para a pesquisa com Xu, junto com Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee e Samuel Huberman; Zhang Jiang, físico do Laboratório Nacional Argonne; Karen Gleason, reitor associado do MIT e Alexander I. Michael Kasser Professor de Engenharia Química; e Gang Chen, chefe do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT e professor de Engenharia de Potência Carl Richard Soderberg.
Esticar espaguete
Se você tivesse que ampliar a microestrutura de um polímero médio, não seria difícil entender por que o material captura calor tão facilmente. No nível microscópico, os polímeros são feitos de longas cadeias de monômeros, ou unidades moleculares, ligadas de ponta a ponta. Estas cadeias são muitas vezes emaranhadas em uma bola de espaguete. Os transportadores de calor têm dificuldade em passar por esta confusão desordenada e tendem a ficar presos dentro dos nós e aglomerados poliméricos.
E, no entanto, os pesquisadores tentaram transformar esses isolantes térmicos naturais em condutores. Para eletrônicos, os polímeros ofereceriam uma combinação única de propriedades, pois são leves, flexíveis e quimicamente inertes. Os polímeros também são isolantes elétricos, o que significa que eles não conduzem eletricidade e, portanto, podem ser usados para impedir que dispositivos como laptops e telefones celulares entrem em curto-circuito nas mãos de seus usuários.
Vários grupos construíram condutores de polímeros nos últimos anos, incluindo o grupo de Chen, que em 2010 inventou um método para criar “nanofibras ultradrawn” a partir de uma amostra padrão de polietileno. A técnica esticou os polímeros bagunçados e desordenados em cadeias ordenadas e ultrafinas – muito parecidas com o desenrolar de uma série de luzes natalinas. Chen descobriu que as correntes resultantes permitiam que o calor pulasse facilmente ao longo do material, e que o polímero conduzia 300 vezes mais calor em comparação com os plásticos comuns.
Mas o isolante transformado em condutor só podia dissipar o calor em uma direção, ao longo do comprimento de cada cadeia polimérica. O calor não podia viajar entre cadeias poliméricas, devido às fracas forças de Van der Waals – um fenômeno que essencialmente atrai duas ou mais moléculas próximas umas das outras. Xu se perguntou se um material polimérico poderia ser feito para espalhar o calor, em todas as direções.
Xu concebeu o estudo atual como uma tentativa de projetar polímeros com alta condutividade térmica, através da engenharia simultânea de forças intramoleculares e intermoleculares – um método que ela esperava que permitisse o transporte eficiente de calor ao longo e entre as cadeias poliméricas.
A equipe finalmente produziu um polímero condutor de calor conhecido como politiofeno, um tipo de polímero conjugado que é comumente usado em muitos dispositivos eletrônicos.
Sugestões de calor em todas as direções
Xu, Chen e membros do laboratório de Chen se uniram a Gleason e seus membros para desenvolver uma nova maneira de projetar um condutor de polímero usando deposição de vapor químico oxidativo (oCVD), onde dois vapores são direcionados para uma câmara e para um substrato, onde eles interagem e formam um filme. “Nossa reação foi capaz de criar cadeias rígidas de polímeros, em vez de fios de espaguete torcidos em polímeros normais.” Xu diz.
Neste caso, Wang escoou o oxidante para uma câmara, junto com um vapor de monômeros – unidades moleculares individuais que, quando oxidadas, se formam nas cadeias conhecidas como polímeros.
“Crescemos os polímeros em substratos de silício / vidro, nos quais o oxidante e os monômeros são adsorvidos e reagidos, alavancando o mecanismo único de crescimento autodenominado da tecnologia CVD”, diz Wang.
Wang produziu amostras relativamente grandes, cada uma medindo 2 centímetros quadrados – aproximadamente o tamanho de uma impressão digital.
“Como essa amostra é usada de forma tão onipresente, como em células solares, transistores de efeito de campo orgânico e diodos emissores de luz orgânicos, se esse material puder ser termicamente condutor, pode dissipar o calor em todos os componentes eletrônicos orgânicos”, diz Xu. .
A equipe mediu a condutividade térmica de cada amostra usando refletância térmica no domínio do tempo – uma técnica na qual eles disparam um laser sobre o material para aquecer sua superfície e monitoram a queda na temperatura da superfície medindo a refletância do material à medida que o calor se espalha o material.
“O perfil temporal do decaimento da temperatura da superfície está relacionado com a velocidade de propagação do calor, a partir da qual fomos capazes de calcular a condutividade térmica”, diz Zhou.
Em média, as amostras de polímero foram capazes de conduzir calor a cerca de 2 watts por metro por kelvin – cerca de 10 vezes mais rápido do que os polímeros convencionais podem alcançar. No Laboratório Nacional de Argonne, Jiang e Xu descobriram que as amostras de polímero pareciam quase isotrópicas, ou uniformes. Isso sugere que as propriedades do material, como sua condutividade térmica, também devem ser quase uniformes. Seguindo esse raciocínio, a equipe previu que o material deveria conduzir calor igualmente bem em todas as direções, aumentando seu potencial de dissipação de calor.
No futuro, a equipe continuará explorando a física fundamental por trás da condutividade do polímero, bem como maneiras de permitir que o material seja usado em produtos eletrônicos e outros produtos, como caixas para baterias e filmes para placas de circuito impresso.
