Американские химики синтезировали полимерный материал, который способен эффективно проводить тепло во всех направлениях примерно на порядок лучше традиционных полимерных материалов. Добиться этого эффекта удалось за счет одновременного усиления как внтуримолекулярных, так и межмолекулярных взаимодействий, пишут ученые в Science Advances.

Подавляющее большинство полимерных пластмасс не проводят ни электричество, ни тепло. Однако те полимерные материалы, которые все-таки способны проводить ток, уже активно используются при разработке гибких дисплеев и элементов носимых электронных устройств. Если возможность проводить электрический ток в полимерах, как правило, появляется за счет наличия в структуре молекулы системы сопряженных двойных связей, то проблему низкой теплопроводности решить немного сложнее. Из-за разупорядоченной структуры и слабых межмолекулярных взаимодействий в полимерных материалах коэффициент теплопроводности в них обычно не превосходит 0,2 ватта на метр на градус. В отдельных случаях, в том числе в электропроводящих молекулах, за счет усиления внутримолекулярного взаимодействия ученым удавалось добиться значительного увеличения теплопроводности (в отдельных случаях — даже до 300 раз), но этот эффект ограничивался лишь единственным направлением и очень небольшой длиной.

Группа американских материаловедов под руководством Гана Чэня (Gang Chen) из Массачусетского технологического института синтезировала новый полимерный материал, который обладает повышенной теплопроводностью за счет увеличения силы не только внутримолекулярного взаимодействия, как в предыдущих работах, но и между отдельными полимерными молекулами. Основу материала составил поли(3-гексилтиофен), в котором сопряженные двойные связи обеспечивают внутримолекулярные связи, а взаимодействия между π-орбиталями ароматических элементов разных молекул приводит к образованию между ними нековалентных связей, в результате чего плоские ароматические пятичленные кольца складываются в стопки, образуя внутри материала небольшие упорядоченные области.

Модель теплопроводящего полимерного материала. Фиолетовым цветом обозначены упорядоченные области, образованные за счет пи-стэкинга ароматических элементов. MIT / Chelsea Turner

Синтез тонких полимерных пленок нанометровой толщины ученые проводили с использованием окислительного химического осаждения из газовой фазы, в результате которого сначала получалась молекула с плоской хиноидной структурой, в которой ароматические элементы связаны двойной связью, а после промывания метанолом — чистый полимерный материал без неорганических ионов, в которых между тиофеновыми элементами уже нет двойной связи. Этот процесс уменьшает шероховатость пленок, увеличивает подвижность отдельных элементов внутри структуры (сохраняя при этом упорядоченные зоны) и повышает теплопроводность молекулы.

Схема синтеза и молекулярная структура двух модификаций теплопроводящего полимерного материала. Y. Xu et al./ Science Advances, 2018

Синтезированный полимер действительно оказался теплопроводящими, при этом за счет правильного подбора температуры полимеризации ученым удалось добиться получения полимерного материала с коэффициентом теплопроводности 2,2 ватта на метр на градус при комнатной температуре, что примерно на порядок выше обычных для пластмасс показателей. Авторы работы отмечают, что к повышению теплопроводности приводит не механическая обработка или микроструктурирование уже полученного материала (как это делается обычно), а управление системой сопряженных двойных связей и образованием упорядоченных межмолекулярных структур в процессе синтеза.

Теплопроводность полимера, полученного при различных температурах. Y. Xu et al./ Science Advances, 2018

С учетом того, что многие подобные полимеры обладают довольно высоким коэффициентом электропроводности (например, промежуточный полимер с хиноидной структурой имел электропроводность более 4 сименосов на сантиметр), ученые считают, что в будущем именно подобные полимерные материалы, способные одновременно проводить и электрический ток, и тепло, станут основой для гибких полимерных электронных и оптоэлектронных устройств с более эффективным управлением тепловым режимом. Эффективным способом ускорить процесс отвода тепло при использовании непроводящих полимерных материалов может быть не только подбор правильного химического состава соединения, но и придание ему необходимой микростурктуры. Так, американские исследователи получили полусинтетическую ткань на основе полиэтилена, которая за счет системы нано- и микрометровых пор способна рассеивать тепло человеческого тела лучше, чем другие натуральные и синтетические материалы и может оказывать охлаждающий эффект.

Автор: Александр Дубов