素早く伸ばすと、このポリマーの熱輸送能力が切り替わります。マサチューセッツ工科大学ニュース

ほとんどの材料には熱を処理する能力が備わっています。たとえば、プラスチックは通常熱伝導率が低いのに対し、大理石のような素材はより効率的に熱を移動させます。片方の手を大理石のカウンタートップに置き、もう片方の手をプラスチックのまな板に置くと、大理石の方がより多くの熱を手から奪い、プラスチックに比べて冷たさを感じます。

通常、材料の熱伝導率は再製造しない限り変更できません。しかし、MIT のエンジニアは、比較的一般的な材料で熱伝導率を切り替えることができることを発見しました。素材を伸ばすだけで、熱伝導率がプラスチックと同様のベースラインから大理石に近い高い容量まで急速に上昇します。材料が伸びていない状態に戻ると、プラスチックのような特性に戻ります。

熱可逆性材料はオレフィン ブロック コポリマーです。これは、幅広い市販製品に使用されている柔らかく柔軟なポリマーです。研究チームは、材料を急速に伸ばすと、熱伝導能力が 2 倍以上になることを発見しました。この遷移はわずか 0.22 秒以内に発生します。これは、あらゆる材料で観察された最速の熱スイッチングです。

この材料は、温度の変化にリアルタイムで適応するシステムを設計するために使用できる可能性があります。たとえば、通常は熱を保持する衣料品に切り替え可能な繊維を織り込むことができます。生地が伸びると、人の体から熱を瞬時に奪って冷却します。同様のファイバーをラップトップやインフラストラクチャに組み込んで、デバイスや建物の過熱を防ぐことができます。研究者らは、ポリマーのさらなる最適化と、同様の特性を備えた新しい材料の開発に取り組んでいます。

「環境温度の変化に素早く適応できる、安価で豊富な材料が必要です」と、マサチューセッツ工科大学機械工学部の主任研究員であるスベトラーナ・ボリスキーナ氏は言います。 「この熱スイッチングを確認したことで、新しい適応材料を探して構築できる方向が変わりました。」

ボリスキナ氏と同僚は研究結果を次の論文で発表した。 今日登場する研究 日記で 先端材料。この研究の共著者には、MITのDuo Xu氏、Buxuan Li氏、You Lyu氏、Vivian Santamaria-Garcia氏、中国深センの南方科技大学のYuan Zhu氏が含まれる。

弾性チェーン

この新しい現象の鍵は、材料が伸ばされると、その微細な構造が突然熱が伝わりやすくなり、材料の熱伝導率が増加するように整列することです。伸ばされていない状態では、同じ微細構造が絡み合って束になり、熱の経路を効果的に遮断します。

偶然にも、ボリスキナ氏とその同僚たちは、熱を切り替える素材を見つけようとしていたわけではありません。彼らは当初、従来リサイクルが困難であった石油ベースのプラスチックから作られた合成繊維であるスパンデックスに代わる、より持続可能な代替品を探していました。潜在的な代替品として、研究チームはポリエチレンとして知られる別のポリマーから作られた繊維を研究していました。

「この素材を使い始めると、弾力性があるという事実よりもさらに興味深い他の特性があることに気づきました」とボリスキナ氏は言います。 「ポリエチレンがユニークなのは、単純な鎖に沿って配置された炭素原子の骨格を持っていることです。そして炭素は非常に優れた熱伝導体です。」

ポリエチレンを含むほとんどのポリマー材料の微細構造には、多くの炭素鎖が含まれています。しかし、これらの鎖は、非晶質相として知られる、乱雑なスパゲッティのような絡み合った状態で存在します。炭素は優れた熱伝導体であるという事実にもかかわらず、鎖の無秩序な配置は通常、熱の流れを妨げます。したがって、ポリエチレンおよびその他のほとんどのポリマーは一般に熱伝導率が低くなります。

で 前の作品MITのガン・チェン教授とその共同研究者らは、炭素鎖のもつれをほどき、ポリエチレンを無秩序な非晶質状態からより整列した結晶相に移行させる方法を発見した。この移行により炭素鎖が効果的に真っ直ぐになり、熱が流れる道が確保され、材料の熱伝導率が向上しました。しかし、それらの実験では、スイッチは永続的でした。材料の相が一度変化すると、それを元に戻すことはできません。

ボリスキナ氏のチームはポリエチレンを調査する際、オレフィン ブロック共重合体 (OBC) など、他の密接に関連した材料も検討しました。 OBC は主にアモルファス材料であり、高度に絡み合った炭素原子と水素原子の鎖から作られています。したがって、科学者たちは、OBC が低い熱伝導率を示すと考えていました。そのコンダクタンスを高めることができれば、ポリエチレンと同様に永久的なものになる可能性があります。

しかし、研究チームが OBC の弾力性をテストする実験を行ったところ、まったく異なることが判明しました。

「材料を伸ばしたり解放したりするうちに、数千サイクルにわたって、材料が伸びているときは熱伝導率が非常に高く、緩んでいるときは熱伝導率が低いことがわかりました」と研究共著者でMIT大学院生のDuo Xu氏は語る。 「このスイッチは可逆的でしたが、材料はほとんど非晶質のままでした。これは予想外でした。」

伸縮性のある混乱

次にチームは OBC を詳しく調査し、拡張に伴って OBC がどのように変化するかを調査しました。研究者らは、X線とラマン分光法を組み合わせて、材料を繰り返し伸ばしたり緩めたりする際の微細構造を観察した。研究者らは、伸長していない状態では、この材料は主に炭素鎖の非晶質のもつれから構成されており、秩序だった結晶ドメインの島が数個だけあちこちに点在していることを観察しました。伸長すると、Gang Chen がポリエチレンで観察したのと同様に、結晶ドメインが整列し、非晶質のもつれがまっすぐになるように見えました。

しかし、まっすぐになったもつれは結晶相に完全に移行するのではなく、非晶質状態のままでした。このようにして、材料が伸びたり緩んだりを繰り返すと、もつれが真っすぐになったり束になったり、また元に戻ったりを繰り返すことができることを研究チームは発見した。

「私たちの材料は常にほとんどアモルファス状態にあり、歪みがかかっても結晶化することはありません」と Xu 氏は述べています。 「つまり、熱伝導率を何千回も行ったり来たりする機会が残されます。これは非常に可逆的です。」

研究チームはまた、この熱の切り替えが非常に速く起こることも発見しました。材料の熱伝導率は、伸ばされてからわずか 0.22 秒以内に 2 倍以上に増加しました。

「この素材による熱放散の違いは、プラスチックのまな板に触れたときと大理石のカウンタートップに触れたときの触覚的な違いに匹敵します」とボリスキナ氏は言います。

彼女と同僚は現在、実験の結果をモデルに組み込んで、材料の非晶質構造を微調整して、伸長時にさらに大きな変化を引き起こす方法を確認しています。

「当社の繊維は、エレクトロニクス、繊維、建築インフラ向けに、素早く反応して熱を放散します。」ボリスキナさんは言う。 「さらに改良を加えて熱伝導率をプラスチックの熱伝導率からダイヤモンドに近づけることができれば、産業上および社会的に大きな影響を与えるでしょう。」

この研究は、米国エネルギー省、Tec de Monterey 経由の海軍研究グローバル局、MIT Evergreen 大学院イノベーション フェローシップ、MathWorks MechE 大学院フェローシップ、および MIT-SUSTech 機械工学研究教育センターから一部支援を受け、一部は MIT.nano および ISN 施設を使用して実施されました。