Новий прорив MIT: полімер, який за мить «охолоджується», коли його розтягнути

Чому мармур здається холоднішим за пластик? Відповідь у їхній здатності відводити тепло. Але що, якщо один і той самий матеріал міг би бути і «пластиком», і «мармуром» – залежно від того, як його розтягнути? Саме такий ефект зафіксували інженери MIT, увімкнувши швидке і зворотне «теплове перемикання» у звичайному полімері.

Як усе починалося: що передувало відкриттю

Раніше вважалося, що теплопровідність матеріалу – велика константа, яку важко змінити без повторного виготовлення. Полімери наче поліетилен традиційно мають низьку теплопровідність через «спагеті» з ланцюжків в аморфній фазі. У попередніх роботах команда професора MIT Гана Чена навчила поліетилен переходити з аморфного до більш впорядкованого стану з вищою провідністю, але той перехід був незворотним. Тим часом інша група в MIT шукала стійкішу альтернативу спандексу для текстилю й звернула увагу на полімери з простою вуглецевою «хребтовою» структурою. Так у фокусі опинився олефіновий блок-сополімер (OBC) – м’який і гнучкий матеріал, який вважали теплово «тихим». Саме він несподівано проявив властивості, що суперечать шаблонам.

Ключова подія: миттєвий термальний перемикач

Команда під керівництвом Світлани Борискіної встановила: за швидкого розтягування OBC його здатність проводити тепло теплопровідність більш ніж удвічі зростає, і цей перехід відбувається за рекордні 0.22 секунди. Коли матеріал повертається до початкової форми, теплопровідність знову падає до «пластикового» базового рівня – ефект повністю оборотний. Деталі роботи оприлюднено у журнал Advanced Materials; співавтори дослідження: Duo Xu, Buxuan Li, You Lyu, Vivian Santamaria-Garcia (MIT) та Yuan Zhu (Southern University of Science and Technology, Шеньчжень, Китай).

«Нам потрібні дешеві й доступні матеріали, які швидко підлаштовуються під зміни температури. Після фіксації цього теплового перемикання ми інакше дивимося на пошук адаптивних матеріалів», – зазначає Світлана Борискіна (MIT). «Під час розтягування та відпускання OBC його теплопровідність виявлялася високою у розтягнутому й низькою у розслабленому станах протягом тисяч циклів – перемикання залишалося оборотним», – додає аспірант MIT Дуо Сюй.

Механізм на рівні мікроструктури

Пояснення приховане у впорядкуванні ланцюжків. У спокійному стані OBC здебільшого аморфний – вуглецеві ланцюги сплутані, а окремі «острівці» кристалічних доменів розкидані без ладу. Під натягом ці домени вирівнюються, а сплутані ділянки розпрямляються, створюючи короткі «магістралі» для тепла. Водночас матеріал не переходить у повністю кристалічну фазу, тож після послаблення натягу структура легко повертається назад. Вимірювання проводили за допомогою рентгенівських методів і раман-спектроскопії, що дозволило зловити момент розтягування – повернення у реальному часі.

Реакції та оцінки: куди це веде

У науковій спільноті зафіксоване теплове перемикання вважають потенційною основою для «розумних» систем охолодження. Дослідники вже говорять про адаптивні волокна для одягу, які в спокої утримують тепло, а під натягом миттєво його відводять. Такі ж принципи придатні для охолодження електроніки та будівель – від ноутбуків до інфраструктури, де швидка реакція на перегрів критично важлива.

Що змінилося вже зараз: підтверджені факти

Після серії експериментів команда сформувала чітку картину явища, яка лягає в основу подальшої інженерії матеріалів. Важливо, що зафіксований ефект не разовий і не потребує хімічних модифікацій – достатньо механічного впливу.

• Задокументовано найшвидше на сьогодні теплове перемикання матеріалу: збільшення теплопровідності більш ніж удвічі за 0.22 секунди.
• Підтверджено повну зворотність ефекту протягом тисяч циклів, без переходу у стійку кристалічну фазу – OBC лишається переважно аморфним.
• Механізм вирівнювання доменів і розпрямлення ланцюгів зафіксовано рентгенівськими та раман-методами; різниця у відведенні тепла відчутна тактильно – подібно до контакту з пластиком і мармуром.

Що далі: перспективи та наступні кроки

Нині команда інтегрує результати у моделі, щоб керувати аморфною структурою OBC і підсилювати контраст теплопровідності. Якщо вдасться розширити «діапазон перемикання» – умовно від рівня пластику до значень, ближчих до найкращих теплопровідників, – це може дати поштовх новим галузевим стандартам охолодження. У планах – створення матеріалів із подібною поведінкою для різних умов експлуатації. Дослідження підтримали Міністерство енергетики США, Office of Naval Research Global (через Tec de Monterrey), MIT Evergreen Graduate Innovation Fellowship, MathWorks MechE Graduate Fellowship та MIT-SUSTech Centers; частина експериментів проведена у MIT.nano та ISN. Попереду – інженерні випробування і, можливо, перші прототипи рішень для одягу, електроніки та архітектури.