Novatoriškas polimerinis užpildas mažina šilumos laidumą 17%

Įsivaizduokite plastiką, kuris sulaiko šilumą, bet išlieka lengvas, lankstus ir tvirtas. Skamba kaip mokslinė fantastika? Masačusetso universiteto Amherst komanda mano kitaip.

Dauguma izoliacijos sprendimų remiasi užfiksuotu oru. Putomis užpildytos medžiagos ir porėtos plėvelės sulėtina šilumos perdavimą, nes oras yra prastas šilumos laidininkas. Tačiau pridėjus oro į plastiką dažnai sutrinka jo tvirtumas arba komplikuojamas gamybos procesas. UMass tyrėjai pasirinko kitą kelią: jie puolė šilumą jos šaltinyje: atominių virpesių viduje kietajame kūne.

Kristaliniuose kietuose kūnuose ir polimeruose šiluma sklinda kaip mažyčiai virpesiai, šokinėjantys nuo atomo prie atomo. Galvokite apie tuos virpesius kaip gerai išmokytą kibirų grandinę, perduodančią energiją. Kai grandinė tvarkinga, šiluma juda greitai.

Tyrėjai siekė chaoso. Tačiau ne absoliutaus chaoso, o „lėto chaoso“ tipo. Jie sukonstravo polimerą taip, kad virpesių keliai taptų reti ir netvarkingi. Vietoje koordinuotų ugniagesių, perduodančių didelius kibirus, medžiaga elgiasi tarsi vaikų būrys, kiekvienas nešdamas mažą taurelę skirtinga kryptimi. Rezultatas: šiluma praeina kur kas mažiau efektyviai.

Tam komanda sumaišė poliuretaną su molekuliniu užpildu, vadinamu tetrahidroksideoksibenzoino triazoliu (THDBT). Nanomastelyje THDBT agregatai sutrikdo įprastus vibracinius kanalus, sumažindami termiškai pasiekiamų kelių skaičių. Pradinių bandymų metu hibridinis polimeras parodė maždaug 17 % terminio laidumo sumažėjimą ir taip pat pasižymėjo atsparumu liepsnai, tuo pačiu nepadarydamas medžiagos trapiu ar masyviu.

Paskutinė savybė svarbi. Hibridas išlieka tankus ir mechaniniu požiūriu paklusnus, tai reiškia, kad jis gali lankstytis ir atlaikyti apkrovas kaip įprasti plastikai, tuo pačiu suteikdamas geresnę šiluminę apsaugą. Inžinieriams tai reta kombinacija: izoliacija, kuri nereikalauja kompromisų nei stiprumo, nei gamybos paprastumo.

Praktinės panaudojimo galimybės yra akivaizdžios ir plačios. Įsivaizduokite kosmonautų kostiumų sluoksnius, kurie riboja šilumos perdavimą nesunkindami svorio, erdvėlaivių išorę, atsparią tiek šilumai, tiek ugniai, elektronikos korpusus, kurie suvaldo karštas zonas be stambių metalinių radiatorių, arba statybines medžiagas, gerinančias energetinį efektyvumą išlikdamos struktūriškai tvirtomis.

Iki šiol pastebėtas terminio laidumo sumažėjimas yra kuklus, tačiau šis principas atveria naują projektavimo erdvę. Reguliuodami molekulinius užpildus ir jų poveikį vibraciniams tinklams, mokslininkai galėtų sustiprinti efektą. „Yra daug potencialo“, sako Yanfei Xu, studijos atsakingasis autorius ir Masačusetso universiteto Amherst dėstytojas, pažymėdamas, kad vibracinis inžinerinis požiūris gali tapti bendru terminės valdymo įrankiu polimeruose.

Tai, kas prasidėjo kaip šilumos transporto atominiame lygyje peržiūra, gali išaugti į praktišką būdą padaryti kasdienius plastikus labiau atsparius šilumai, lengvesnius, saugesnius ir geriau pritaikytus šiuolaikiniams termininiams iššūkiams.