پلاستیک سبک و مقاوم با عایق حرارتی بر پایه ارتعاش اتمی

تصور کنید پلاستیکی وجود داشته باشد که گرما را دور نگه دارد و در عین حال سبک، انعطاف‌پذیر و مقاوم بماند. شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد؟ پژوهشگران دانشگاه ماساچوست امهرست چنین نظری ندارند.

بیشتر روش‌های عایق‌کاری بر هوای محبوس تکیه دارند. فوم‌های پر از حباب و ورقه‌های متخلخل انتقال حرارت را کند می‌کنند، چون هوا رسانای ضعیفی برای گرماست. اما وقتی هوا را به یک پلاستیک اضافه می‌کنید، اغلب استحکام آن را از بین می‌برید یا فرایند ساختش را پیچیده‌تر می‌کنید. پژوهشگران یوماس مسیر دیگری را انتخاب کردند: آن‌ها سراغ سرچشمه گرما رفتند، یعنی ارتعاشات اتمی درون ماده جامد.

در جامدات بلوری و پلیمرها، گرما به شکل ارتعاشات بسیار کوچکی حرکت می‌کند که از اتمی به اتم دیگر منتقل می‌شوند. این ارتعاشات را مانند زنجیره‌ای منظم از افراد تصور کنید که سطل‌های آب را با دقت از دستی به دست دیگر می‌رسانند. وقتی این زنجیره مرتب باشد، گرما با سرعت زیادی جابه‌جا می‌شود.

پژوهشگران به دنبال آشوب بودند، اما نه آشوب کامل، بلکه «آشوب کند». آن‌ها پلیمر را طوری مهندسی کردند که مسیرهای ارتعاشی پراکنده و نامنظم شوند. به جای آتش‌نشانانی هماهنگ که سطل‌های بزرگ را دست به دست می‌کنند، این ماده مانند گروهی از کودکان خردسال رفتار می‌کند که هرکدام یک لیوان کوچک را در جهتی متفاوت می‌برند. نتیجه این است که گرما با کارایی بسیار کمتری از ماده عبور می‌کند.

برای رسیدن به این هدف، این تیم پلی‌یورتان را با یک پرکننده مولکولی به نام تتراهیدروکسی دئوکسی‌بنزوئین تری‌آزول، یا تی‌اچ‌دی‌بی‌تی، ترکیب کرد. در مقیاس نانو، تجمع‌های تی‌اچ‌دی‌بی‌تی مسیرهای معمول ارتعاشی را مختل می‌کنند و تعداد مسیرهایی را که از نظر حرارتی در دسترس هستند کاهش می‌دهند. در آزمایش‌های اولیه، این پلیمر هیبریدی کاهش تقریبی ۱۷ درصدی در رسانایی حرارتی نشان داد و هم‌زمان رفتار بازدارنده شعله نیز داشت، بدون آنکه ترد یا حجیم شود.

این نکته آخر اهمیت زیادی دارد. این ماده هیبریدی همچنان متراکم و از نظر مکانیکی انعطاف‌پذیر باقی می‌ماند، یعنی می‌تواند مانند پلاستیک‌های معمول خم شود و بار تحمل کند، در حالی که محافظت حرارتی بهتری ارائه می‌دهد. برای مهندسان، این ترکیبی کمیاب است: عایق حرارتی که آن‌ها را مجبور نمی‌کند میان استحکام، سبکی و قابلیت تولید یکی را قربانی کنند.

کاربردهای عملی این فناوری گسترده و روشن است. می‌توان لایه‌هایی برای لباس فضانوردان تصور کرد که انتقال گرما را بدون افزودن وزن محدود می‌کنند، پوسته‌هایی برای فضاپیما که در برابر گرما و شعله مقاوم هستند، محفظه‌هایی برای تجهیزات الکترونیکی که نقاط داغ را بدون پره‌های فلزی حجیم کنترل می‌کنند، یا مصالح ساختمانی که بهره‌وری انرژی را بهبود می‌دهند و در عین حال استحکام سازه‌ای خود را حفظ می‌کنند.

کاهش رسانایی حرارتی که تاکنون مشاهده شده هنوز متوسط است، اما این ایده فضای تازه‌ای برای طراحی مواد باز می‌کند. دانشمندان می‌توانند با تنظیم پرکننده‌های مولکولی و نحوه برهم زدن شبکه‌های ارتعاشی، این اثر را تقویت کنند. یانفی شو، نویسنده مسئول این مطالعه و استادیار دانشگاه ماساچوست امهرست، می‌گوید: «ظرفیت بسیار زیادی در این مسیر وجود دارد» و توضیح می‌دهد که مهندسی ارتعاشات می‌تواند به ابزاری عمومی برای مدیریت حرارتی در پلیمرها تبدیل شود.

آنچه با بازنگری در انتقال گرما در سطح اتمی آغاز شد، می‌تواند به روشی کاربردی برای ساخت پلاستیک‌های روزمره‌ای تبدیل شود که در برابر چالش‌های حرارتی هوشمندتر عمل می‌کنند، سبک‌تر و ایمن‌تر هستند و با نیازهای فناوری مدرن سازگاری بیشتری دارند.