Das bahnbrechende MIT-Polymer verspricht sicherere Telefone und Laptops durch die Verhinderung von Überhitzung

• MIT-Ingenieure haben ein Polymer namens Polythiophen entwickelt, das Wärme effizient leitet. 
• Es ist flexibel, leicht und zehnmal leitfähiger als herkömmliche Polymere.
• Es kann direkt auf Siliziumwafer und verschiedene elektronische Instrumente aufgetragen werden. 

Sie wissen bereits, dass Kunststoffe perfekte Isolatoren sind – sie können Wärme effektiv speichern. Diese Eigenschaft ist bei zahlreichen Dingen äußerst nützlich, beispielsweise bei einer Kaffeetassenhülle, aber bei elektronischen Geräten, wie etwa Kunststoffgehäusen für Telefone und Laptops, speichern sie Wärme und machen das Gerät noch heißer.

Jetzt haben MIT-Ingenieure eine Technik entwickelt, die einen Kunststoffisolator in einen Wärmeleiter verwandelt, was bedeutet, dass das neue Material die Wärme nicht isoliert, sondern ableitet. Das neue Polymer ist flexibel, leicht und zehnmal leitfähiger als herkömmliche Polymere.

Das neue Material wird die Entwicklung elektronischer Geräte wie Solarzellen, tragbarer Biosensoren und flexibler Displays erleichtern. Im Gegensatz zu herkömmlichen Polymeren, die thermisch und elektrisch isolierend sind, leitet es Wärme effizient und leitet die Wärme effizient ab.

MIT-Ingenieure glauben, dass dieses Material auch in komplexen Wärmemanagementanwendungen eingesetzt werden könnte, einschließlich organischer Elektronik, Optoelektronik und selbstkühlenden Alternativen.

Wie wird es hergestellt?

Konventionelles Polymer

Ein Polymer ist ein großes Molekül, das aus mehreren wiederholten Untereinheiten (Ende an Ende verknüpfte Monomere) besteht. Bisher war die Entwicklung von Polymeren entweder durch starke intermolekulare Wechselwirkungen (Übertragung von Photonen zwischen Polymerketten) oder starke intramolekulare Wechselwirkungen (Übertragung von Photonen entlang von Polymerketten) begrenzt.

Nun haben Ingenieure versucht, beide Wechselwirkungen gleichzeitig zu erreichen. Sie entwickelten eine Technik, die die Wärmeübertragung sowohl zwischen als auch entlang der Polymerketten ermöglicht. Sie entwickelten ein konjugiertes Polymer namens Polythiophen oder Poly(3-hexylthiophen), das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Es wird durch oxidative chemische Gasphasenabscheidung von unten nach oben hergestellt, wobei eine starke nichtkovalente p-p-Stapelwechselwirkung zwischen Polymerketten und eine starke kovalente C=C-Bindung entlang der verlängerten Kette genutzt werden.

Die Reaktion bildete starre Polymerketten anstelle von verdrillten Strängen in herkömmlichen Polymeren. Sie erstellten großformatige Prototypen mit einer Größe von jeweils 2 cm2.

Referenz:ScienceAdvances | doi:10.1126/sciadv.aar3031 | MIT

Tests und Ergebnisse

Bildnachweis:Chelsea Turner / MIT

Um die Wärmeleitfähigkeit von Prototypen zu testen, verwendeten Ingenieure eine Technik, die als thermische Reflexion im Zeitbereich bekannt ist. Bei dieser Technik wird das Material einem Laserstrahl ausgesetzt, um seine Oberfläche zu erhitzen. Anschließend analysieren sie den Temperaturabfall, indem sie den Reflexionsgrad des Materials messen, wenn sich die Wärme auf andere Teile des Materials ausbreitet.

Der Temperaturabfall zeigt, wie schnell sich die Wärme auf andere Teile ausbreitet, wodurch Ingenieure außerdem die Wärmeleitfähigkeit des Materials berechnen können.

Sie fanden heraus, dass die Prototypen gleichmäßig waren und Wärme mit einer Rate von 2 Watt pro Meter und Kelvin leiteten, was zehnmal höher ist als bei herkömmlichen Polymeren. Da das Polymer nahezu isotrop ist, leitet es die Wärme in alle Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit und erhöht so die Wärmeableitungsfähigkeit des Materials.

Der oxidative chemische Dampfabscheidungsprozess und die zerstörungsfreie Beschaffenheit des Materials ermöglichen die Bildung hochwertiger, wärmeleitender dünner Filme auf zahlreichen Substraten und beweisen damit seine Vielseitigkeit und unzähligen Anwendbarkeit.

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Das Material kann direkt auf Siliziumwafer und verschiedene elektronische Instrumente aufgetragen werden. Ingenieure planen, an diesem Projekt weiterzuarbeiten und es mit anderen Produkten wie Folien für Leiterplatten und Gehäusen für Batterien kompatibel zu machen.