Un nuevo estudio revela que los polímeros con rellenos defectuosos aumentan la transferencia de calor en los plásticos
Un equipo de investigadores cuestiona la creencia convencional de que los rellenos perfectos son mejores para fabricar polímeros conductores térmicos
En su afán por diseñar la próxima generación de materiales para dispositivos modernos -ligeros, flexibles y excelentes para disipar el calor-, un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Massachusetts Amherst hizo un descubrimiento: la imperfección tiene sus ventajas.
Estas ilustraciones muestran polímeros (los tubos largos) rellenos de cargas perfectas (arriba, grafito) o imperfectas (abajo, óxido de grafito).
Yijie Zhou, UMass Amherst
Esta investigación, publicada en Science Advances, descubrió experimental y teóricamente que los polímeros (comúnmente denominados plásticos) fabricados con rellenos térmicamente conductores que contenían defectos rendían un 160% más que los que tenían rellenos perfectos. Este hallazgo, contrario a la intuición, pone en tela de juicio la creencia de que los defectos comprometen el rendimiento de los materiales. Por el contrario, apunta a una nueva y prometedora estrategia de ingeniería de compuestos poliméricos con una conductividad térmica ultraelevada.
El estudio ha sido dirigido por UMass Amherst con colaboradores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad Estatal de Carolina del Norte, la Universidad de Stanford, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el Laboratorio Nacional de Argonne y la Universidad Rice.
Los polímeros han revolucionado los dispositivos modernos por su inigualable ligereza, aislamiento eléctrico, flexibilidad y facilidad de procesamiento, cualidades con las que los metales y la cerámica simplemente no pueden rivalizar. Los polímeros están presentes en todos los rincones de nuestro paisaje tecnológico, desde microchips de alta velocidad y LED hasta teléfonos inteligentes y robótica blanda. Sin embargo, los polímeros comunes son aislantes térmicos con una baja conductividad térmica, lo que puede provocar problemas de sobrecalentamiento. Sus propiedades aislantes inherentes atrapan el calor, generando peligrosos puntos calientes que merman el rendimiento y aceleran el desgaste, aumentando el riesgo de fallos catastróficos e incluso incendios.
Durante años, los científicos han intentado mejorar la conductividad térmica de los polímeros incorporando cargas altamente conductoras del calor, como metales, cerámica o materiales a base de carbono. La lógica es sencilla: la mezcla de cargas térmicamente conductoras debería mejorar el rendimiento general.
Sin embargo, en la práctica no es tan sencillo. Pensemos en un polímero mezclado con diamantes.
Dada la excepcional conductividad térmica de un diamante, de unos 2.000 vatios por metro por kelvin (W m-1 K-1), un polímero compuesto por un 40% de relleno de diamante podría alcanzar teóricamente una conductividad de unos 800 W m-1 K-1. Sin embargo, los resultados prácticos no han sido tan satisfactorios debido a que el polímero se ha mezclado con diamantes. Sin embargo, los resultados prácticos se han quedado cortos debido a problemas como la aglomeración de rellenos, los defectos, la elevada resistencia al contacto entre polímeros y rellenos y la baja conductividad térmica de las matrices poliméricas, que merman la transferencia de calor.
"Entender los mecanismos de transporte térmico en materiales poliméricos ha sido un reto de larga data, en parte debido a las complicadas estructuras poliméricas, los defectos ubicuos y los trastornos", dice Yanfei Xu, profesor asistente de ingeniería mecánica e industrial de UMass Amherst y autor correspondiente del artículo.
Para su estudio, destinado a sentar las bases para comprender el transporte térmico en materiales poliméricos y controlar la transferencia de calor a través de interfaces heterogéneas, el equipo creó dos compuestos poliméricos de alcohol polivinílico (PVA): uno incorporaba rellenos de grafeno perfectos y el otro utilizaba rellenos de óxido de grafeno defectuosos, cada uno a una fracción volumétrica baja del 5%.
Como era de esperar, los rellenos perfectos por sí solos eran más conductores térmicos que los imperfectos.
"Medimos que los rellenos perfectos (grafito) por sí solos tienen una conductividad térmica elevada, de aproximadamente 292,55 W m-1 K-1, frente a sólo 66,29 W m-1 K-1 de los defectuosos (óxido de grafito) por sí solos, una diferencia de casi cinco veces", afirma Yijie Zhou, autor principal y estudiante de postgrado de ingeniería mecánica en UMass Amherst.
Sin embargo, sorprendentemente, cuando estos rellenos se añaden a los polímeros, los polímeros fabricados con rellenos de óxido de grafeno con defectos rindieron un 160% mejor que los que tenían rellenos de grafeno perfectos".
El equipo utilizó una combinación de experimentos y modelos -mediciones de transporte térmico, dispersión de neutrones, modelización mecánica cuántica y simulaciones de dinámica molecular- para estudiar cómo influyen los defectos en el transporte térmico de los compuestos poliméricos.
Descubrieron que los rellenos defectuosos facilitan una transferencia de calor más eficiente porque sus superficies irregulares no permiten que las cadenas de polímeros se empaqueten tan firmemente como lo hacen los rellenos perfectamente lisos. Este efecto inesperado, conocido como aumento de los acoplamientos vibracionales entre los polímeros y los rellenos defectuosos en las interfaces polímero/relleno, aumenta la conductividad térmica y reduce la resistencia, haciendo que el material transfiera el calor de forma más eficaz.
"Los defectos, en ocasiones, actúan como puentes, mejorando el acoplamiento a través de la interfaz y permitiendo un mejor flujo de calor", afirma Jun Liu, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "De hecho, la imperfección a veces puede conducir a mejores resultados".
Xu cree que estos resultados, tanto experimentales como teóricos, sientan las bases para la ingeniería de nuevos materiales poliméricos con conductividad térmica ultraalta. Estos avances presentan nuevas oportunidades para que los dispositivos -desde los microchips de alto rendimiento hasta la robótica blanda de nueva generación- funcionen más fríos y eficientemente gracias a una mejor disipación del calor.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Yijie Zhou, Robert Ciarla, Artittaya Boonkird, Saqlain Raza, Thanh Nguyen, Jiawei Zhou, Naresh C. Osti, Eugene Mamontov, Zhang Jiang, Xiaobing Zuo, Jeewan Ranasinghe, Weiguo Hu, Brendan Scott, Jihua Chen, Dale K. Hensley, Shengxi Huang, Jun Liu, Mingda Li, Yanfei Xu; "Defects vibrations engineering for enhancing interfacial thermal transport in polymer composites"; Science Advances, Volume 11
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