Controlando la conductividad térmica de los polímeros con luz.

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En un nuevo estudio, los investigadores han diseñado y demostrado un nuevo tipo de polímero que demuestra una conductividad térmica conmutable controlada por la luz. El material tiene el potencial de encaminar la conducción de calor a pedido y permite nuevas formas más inteligentes de manejar el calor.

Los polímeros se utilizan regularmente como aislantes térmicos para todo, desde mantener las bebidas calientes hasta mantener frescos los productos electrónicos sensibles. En algunos casos, los polímeros se pueden usar incluso como conductores térmicos para permitir un calentamiento o enfriamiento eficiente.

En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han diseñado y demostrado un nuevo tipo de polímero que demuestra una conductividad térmica conmutable controlada por la luz. El material tiene el potencial de encaminar la conducción de calor a pedido y permite nuevas formas más inteligentes de manejar el calor.

Los hallazgos se informan en los procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

“Los polímeros se utilizan ampliamente en sistemas de ingeniería, pero estos materiales casi siempre se han considerado térmicamente estáticos. El descubrimiento de polímeros que pueden activarse ópticamente para cambiar rápidamente entre los estados de conducción térmica y aislamiento abrirá nuevas oportunidades en la ingeniería térmica”

Explicó Paul. Braun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales (MatSE) y director del Laboratorio de Investigación de Materiales de Illinois.

“Por lo que sabemos, esta es la primera observación de una transición de líquido-líquido reversible activada por la luz en cualquier material polimérico. El hallazgo particularmente notable en este estudio es el rápido, reversible cambio de 3 veces en la conductividad térmica asociado con el transición de fase “, explicó Jungwoo Shin, un MatSE Ph.D. estudiante en Illinois.

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El polímero de cambio térmico desarrollado por el equipo de investigación de Illinois demuestra un control poderoso de las propiedades termofísicas de un polímero en respuesta a la luz. Esta capacidad se origina a partir de una molécula fotosensible, azobenceno, que puede ser excitada ópticamente por luz ultravioleta (UV) y visible.

“Sintetizamos un polímero complejo funcionalizado con grupos de azobenceno sensibles a la luz. Al iluminar con luz UV y visible, podríamos cambiar la forma del grupo de azobenceno, modular la fuerza de unión entre cadenas y generar una transición reversible entre el cristal y el líquido”, dijo Jaeuk Sung. , un MatSE Ph.D. estudiante en Illinois.

Para capturar las transiciones de conductividad térmica de los polímeros de azobenceno bajo iluminación ligera, el equipo de investigación de Illinois utilizó una técnica llamada termorreflectancia en el dominio del tiempo (TDTR) desarrollada por David Cahill, profesor de MatSE en Illinois.

“La forma en que se transporta el calor en el polímero está relacionada con la difusión de los modos de vibración. En los cristales ordenados, estos modos de vibración viajan mucho más lejos de lo que se observa en líquidos desordenados. Como resultado, un cambio extremo en el ordenamiento molecular del polímero puede significativamente Altera la conductividad térmica “, dijo David Cahill.

Este cambio extremo en el ordenamiento macromolecular, por ejemplo, de cristal a líquido, es raro en la naturaleza y no se ha informado previamente para ningún sistema de polímeros en respuesta a la luz. Por lo tanto, desentrañar el mecanismo de la transición de fase activada por la luz fue fundamental para comprender el comportamiento único del polímero.

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“Podríamos observar que, al exponerse a la luz, este material cambia rápidamente de un estado a otro con propiedades de transporte de calor dramáticamente distintas. Utilizamos la dispersión de rayos X basada en el sincrotrón para dilucidar la estructura asociada con cada estado durante la transformación, cerrando la síntesis. “bucle de función de caracterización para este polímero sofisticado”, agregó Cecilia Leal, profesora de MatSE en Illinois.

“Mantener caliente un dispositivo eléctrico es tan importante como mantenerlo frío. Los materiales con dicha conductividad térmica conmutable permitirían formas de mantener seguros, confiables y eficientes los sistemas electrificados, incluso en condiciones extremas”. explicó Andrew Alleyne, director de la National Science Foundation (NSF) que patrocinó el Centro de Investigación de Ingeniería para la Optimización de la Potencia de los Sistemas Electro-Térmicos (POETS) que apoyó este trabajo, y profesor de Ciencias Mecánicas e Ingeniería en Illinois.

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