直観に反するように聞こえるかもしれませんが、MIT の研究者らは、一般に断熱材の材料として知られるプラスチックを使用して、 次世代熱伝導体を開発.

「現在、ナノスケールに向けて小型化が進む集積デバイスにとって、熱放散はますます重要な課題となっています」と、MIT機械工学科の博士研究員であり、この研究の共同主著者であるYanfei Xu氏は述べた。

この課題は、7年の過熱による爆発報告を受けてサムスンのGalaxy Note 2016が大量リコールされたことを受けて明らかになり、各社は充電式デバイスのよりスマートな放熱技術の開発に投資してきた。

Xu 氏によると、金属やセラミックなどの従来の熱伝導体材料とは異なり、業界は熱を効率的に放散する軽量で柔軟性があり、経済的な材料を必要としていました。

この研究は、 科学の進歩.

次世代の熱伝導体

プラスチック 製造されたポリマーとしても知られており、端と端が結合したモノマーまたは分子単位の長い鎖から作られています。 これらの鎖はしばしば絡み合うため、熱がポリマーのうねりや結び目の中に閉じ込められ、プラスチックが優れた断熱材となります。

しかし、MIT の研究者たちは何か違うことに気づきました。 プラスチックは 軽量、柔軟性、化学的に不活性、つまり電気を通さないため、ラップトップや携帯電話などのデバイスがユーザーの手の中でショートするのを防ぐために使用できます。 熱を放散する能力さえ優れていれば、 プラスチックは、熱を閉じ込めるのではなく、放熱する次世代の素材となる可能性があります。

メソッド

2010年、マサチューセッツ工科大学機械工学部長でカール・リチャード・ソダーバーグ電力工学教授のガン・チェン氏と彼の研究チームは、乱雑で無秩序なポリマーを極薄の規則正しい鎖に伸ばす方法を発明した。

彼らは、結果として得られた鎖により、熱が材料に沿って材料を通して容易に逃げることを可能にし、ポリマーが通常のプラスチックと比較して300倍の熱を伝導することを発見しました。

しかし、絶縁体から導体になったものは、各ポリマー鎖の長さに沿って一方向にのみ熱を放散できます。 熱はポリマー鎖間を移動できません。

チームの開発について聞いた Xu は、このポリマー材料を全方向に熱を散乱させることができるのではないかと疑問に思いました。

MIT副学長のチェン・グリーソン氏とカレン・グリーソン氏、化学工学のアレクサンダー・I・マイケル・カッサー教授、マサチューセッツ工科大学工学部博士課程のシュー氏とシャオシュエ・ワン氏を含むポスドク、卒業生、教員のチームとの共同の取り組みで、この研究の共同筆頭著者である彼は、ポリマー鎖に沿った、およびポリマー鎖間の効率的な熱輸送を可能にする方法を開発しました。

彼らは、酸化化学気相成長法 (oCVD) を使用しました。これにより、モノマーと酸化剤が真空チャンバー内および基板上に誘導され、そこで重合が起こります。 そして、より規則的な構造を持つ、独自に oCVD で成長させた薄いポリマー膜が形成され、より伸びて規則正しい鎖に沿って、またそれを横切って熱が輸送されるようになります。

「従来のポリマーのランダムコイルで乱雑な『スパゲッティのような』構造と比較して、分子間相互作用が良好で、より長く規則正しい鎖構造が得られました」とWang氏は述べた。

マテリアルのテスト

研究チームは、それぞれのサイズが XNUMX 平方センチメートル、つまり拇印とほぼ同じ大きさの比較的大規模なサンプルを作成しました。

新しいポリマーがどの程度効率的に熱を放散するかをテストするために、時間領域の熱反射率を使用して各サンプルの熱伝導率を測定しました。この技術では、材料にレーザーを照射して表面を加熱し、測定によって表面温度の低下を監視します。熱がマテリアル内に広がるときのマテリアルの反射率。

平均して、ポリマー サンプルは 2 ケルビンあたり約 10 ワットで熱を伝導しました。これは、従来のポリマーが達成できる速度の約 XNUMX 倍です。

研究チームは、ポリマーサンプルがほぼ等方性、つまり均一であることを発見しました。これは、熱伝導率などの材料の特性も均一であるはずであることを示唆しています。

この発見に沿って、研究チームは、この材料は全方向に均等に熱を伝導し、熱を放散する可能性を高める必要があると推論しました。

次のステップ

研究チームは、ポリマーの導電性の背後にある基礎物理学の研究を続けるとともに、プラスチックをエレクトロニクスや電池のケースやプリント回路基板のフィルムなどの他の製品に使用できるようにする方法を研究し続ける。

「この材料をシリコンウェーハやさまざまな電子デバイス上に直接かつコンフォーマルにコーティングできる」と徐氏は声明で述べた。 「これらの無秩序な構造で熱輸送がどのように機能するかを理解できれば、より高い熱伝導率を推進できるかもしれません。 そうすれば、この広範囲にわたる過熱問題の解決に貢献し、より優れた熱管理を提供できるようになります。」