Insinyur Mengubah Isolator Plastik Menjadi Konduktor Panas

Tanggal :
1 Maret 2018

Sumber : 
Institut Teknologi Massachusetts
 
Ringkasan  : 
Apakah laptop atau ponsel Anda kepanasan? Plastik yang baru direkayasa dapat menyebabkan casing pendingin sendiri untuk elektronik biasa. 
.

 Kredit: Chelsea Turner / MIT

Plastik adalah insulator yang sangat baik, yang berarti mereka dapat memerangkap panas secara efisien - kualitas yang dapat menjadi keuntungan dalam sesuatu seperti lengan cangkir kopi. Namun properti penginsulasian ini kurang diminati dalam produk seperti casing plastik untuk laptop dan ponsel, yang bisa menjadi terlalu panas, sebagian karena penutupnya memerangkap panas yang dihasilkan perangkat.

Sekarang tim insinyur di MIT telah mengembangkan konduktor termal polimer - bahan plastik yang, meskipun berlawanan dengan intuisi, bekerja sebagai konduktor panas, menghamburkan panas daripada mengisolasi. Polimer baru, yang ringan dan fleksibel, dapat melakukan 10 kali lebih banyak panas daripada kebanyakan polimer yang digunakan secara komersial.

"Polimer tradisional bersifat elektrik dan termal. Penemuan dan pengembangan polimer konduktif elektrik telah menyebabkan aplikasi elektronik baru seperti display fleksibel dan biosensor yang dapat dipakai," kata Yanfei Xu, seorang postdoc di MIT Department of Mechanical Engineering. "Polimer kami dapat secara termal melakukan dan menghilangkan panas jauh lebih efisien. Kami percaya polimer dapat dibuat menjadi konduktor panas generasi berikutnya untuk aplikasi manajemen termal canggih, seperti alternatif pendinginan sendiri untuk selubung elektronik yang ada."

Xu dan tim postdocs, mahasiswa pascasarjana, dan fakultas, telah mempublikasikan hasil mereka hari ini di Sains Kemajuan. Tim ini termasuk Xiaoxue Wang, yang berkontribusi sama terhadap penelitian dengan Xu, bersama dengan Jiawei Zhou, Bai Song, Elizabeth Lee, dan Samuel Huberman; Zhang Jiang, fisikawan di Argonne National Laboratory; Karen Gleason, asisten provokator MIT dan Alexander I. Michael Kasser, Profesor Teknik Kimia; dan Gang Chen, kepala Departemen Teknik Mesin MIT dan Carl Richard Soderberg, Profesor Teknik Ketenagalistrikan.

Meregangkan spageti

 Jika Anda ingin memperbesar mikrostruktur polimer rata-rata, tidak akan sulit untuk melihat mengapa materi menjebak panas dengan mudah. Pada tingkat mikroskopis, polimer dibuat dari rantai panjang monomer, atau unit molekuler, yang dihubungkan dari ujung ke ujung. Rantai-rantai ini sering kusut dalam bola spageti. Pembawa panas memiliki waktu yang sulit bergerak melalui kekacauan ini kacau dan cenderung terjebak dalam snarls polimer dan knot.

Namun, para peneliti telah mencoba untuk mengubah insulator termal alami ini menjadi konduktor. Untuk elektronik, polimer akan menawarkan kombinasi properti yang unik, karena sifatnya yang ringan, fleksibel, dan inert secara kimia. Polimer juga mengisolasi secara elektrik, artinya mereka tidak menghantarkan listrik, dan karenanya dapat digunakan untuk mencegah perangkat seperti laptop dan ponsel dari hubungan arus pendek di tangan pengguna mereka.

Beberapa kelompok telah merancang konduktor polimer dalam beberapa tahun terakhir, termasuk kelompok Chen, yang pada tahun 2010 menemukan metode untuk menciptakan "nanofibers ultradrawn" dari sampel standar polyethylene. Teknik ini membentang polimer yang berantakan dan tidak teratur menjadi ultrathin, rantai yang teratur - mirip seperti untaian tali liburan. Chen menemukan bahwa rantai yang dihasilkan memungkinkan panas untuk melewati dengan mudah sepanjang dan melalui material, dan bahwa polimer melakukan 300 kali lebih banyak panas dibandingkan dengan plastik biasa.

Tetapi konduktor-berubah-konduktor hanya bisa mengusir panas dalam satu arah, sepanjang panjang setiap rantai polimer. Panas tidak dapat bergerak di antara rantai polimer, karena gaya Van der Waals yang lemah - sebuah fenomena yang pada dasarnya menarik dua atau lebih molekul yang saling berdekatan. Xu bertanya-tanya apakah bahan polimer dapat dibuat untuk menyebarkan panas, ke segala arah.


Xu memahami studi saat ini sebagai upaya untuk merekayasa polimer dengan konduktivitas termal yang tinggi, dengan secara bersamaan merancang kekuatan intramolekul dan intermolekul - metode yang ia harapkan akan memungkinkan pengangkutan panas yang efisien di sepanjang dan di antara rantai polimer.

Tim akhirnya menghasilkan polimer yang melakukan panas yang dikenal sebagai polythiophene, sejenis polimer konjugasi yang umumnya digunakan di banyak perangkat elektronik.

Petunjuk panas ke segala arah

 Xu, Chen, dan anggota lab Chen bekerja sama dengan Gleason dan anggota labnya untuk mengembangkan cara baru untuk merekayasa konduktor polimer menggunakan deposisi uap kimia oksidatif (oCVD), di mana dua uap diarahkan ke ruang dan ke substrat, di mana mereka berinteraksi dan membentuk sebuah film. "Reaksi kami mampu menciptakan rantai polimer yang kaku, daripada untaian spageti yang seperti bengkok di polimer normal." Kata Xu.

Dalam hal ini, Wang mengalirkan oksidan ke dalam bilik, bersama dengan uap monomer - unit molekul individual yang, ketika teroksidasi, membentuk rantai yang dikenal sebagai polimer.

"Kami mengembangkan polimer pada substrat silikon / kaca, di mana oksidan dan monomer teradsorpsi dan bereaksi, memanfaatkan mekanisme pertumbuhan self-templated unik dari teknologi CVD," kata Wang.

Wang menghasilkan sampel yang relatif berskala besar, masing-masing berukuran 2 sentimeter persegi - seukuran sidik jari.

"Karena sampel ini digunakan di mana-mana, seperti pada sel surya, transistor efek medan organik, dan dioda pemancar cahaya organik, jika bahan ini dapat dibuat menjadi konduktif termal, itu dapat menghamburkan panas di semua elektronik organik," kata Xu. .Tim mengukur masing-masing konduktivitas termal menggunakan reflektansi termal waktu-domain - teknik di mana mereka menembakkan laser ke bahan untuk memanaskan permukaannya dan kemudian memantau penurunan suhu permukaannya dengan mengukur reflektansi material saat panas menyebar ke bahan.

"Profil temporal peluruhan suhu permukaan terkait dengan kecepatan penyebaran panas, dari mana kami dapat menghitung konduktivitas termal," kata Zhou.

Rata-rata, sampel polimer mampu melakukan panas pada sekitar 2 watt per meter per kelvin - sekitar 10 kali lebih cepat daripada apa yang dapat dicapai polimer konvensional. Di Argonne National Laboratory, Jiang dan Xu menemukan bahwa sampel polimer muncul hampir isotropik, atau seragam. Hal ini menunjukkan bahwa sifat material, seperti konduktivitas termal, juga harus hampir seragam. Mengikuti alasan ini, tim memperkirakan bahwa material harus melakukan panas dengan baik ke segala arah, meningkatkan potensi penghamburan panasnya.

Ke depan, tim akan terus mengeksplorasi fisika dasar di balik konduktivitas polimer, serta cara-cara untuk memungkinkan bahan yang akan digunakan dalam elektronik dan produk lainnya, seperti casing untuk baterai, dan film untuk papan sirkuit tercetak.

"Kami dapat secara langsung dan sesuai melapisi bahan ini ke wafer silikon dan perangkat elektronik yang berbeda" kata Xu. "Jika kita dapat memahami bagaimana transportasi termal bekerja dalam struktur yang tidak teratur ini, mungkin kita juga dapat mendorong konduktivitas panas yang lebih tinggi. Kemudian kita dapat membantu menyelesaikan masalah pemanasan yang meluas ini, dan memberikan manajemen termal yang lebih baik."Penelitian ini didukung, sebagian, oleh Departemen Energi AS - Ilmu Energi Dasar dan MIT Deshpande Center.

Sumber Cerita:
Materi yang disediakan oleh Massachusetts Institute of Technology. Asli ditulis oleh Jennifer Chu. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjang. 

 

Share this post