Термопровідність на вимогу: як полімер від MIT навчився «охолоджувати» за лічені миті

У лабораторіях MIT з’явився матеріал, який у буквальному сенсі «перемикає» тепло. Олефіновий блок-співполімер (OBC) під час швидкого розтягування починає відводити тепло більше ніж удвічі ефективніше і повертається до початкових параметрів після розслаблення. На все потрібно лише 0.22 секунди – це найшвидше зафіксоване термічне перемикання серед відомих матеріалів.

Ідея проста: у «спокої» OBC за відчуттям ближчий до пластику, при натягу – до мармуру. Наслідки для техніки та повсякденного життя очевидні: адаптивні тканини, компоненти для охолодження електроніки та інфраструктури будівель, що реагують у реальному часі.

Що саме відкрили

Команда під керівництвом Світлани Боріскіної з Департаменту механічної інженерії MIT виявила, що комерційно доступний і гнучкий OBC може змінювати теплопровідність реверсивно – без переробки матеріалу чи незворотних фазових переходів. Під час швидкого розтягування його мікроструктура вирівнюється, і тепловий потік проходить значно легше.

Ефект стабільний у тисячах циклів «розтяг–розслаб» та відбувається без переходу матеріалу в повністю кристалічний стан. Результати опубліковано в журналі Advanced Materials; серед співавторів – Duo Xu, Buxuan Li, You Lyu, Vivian Santamaria-Garcia (MIT) і Yuan Zhu (Південний університет науки і технологій, Шеньчжень, Китай).

Як це працює на рівні мікроструктури

У вихідному стані OBC має переважно аморфну будову – ланцюги вуглецю та водню «сплутані, наче спагеті», що заважає теплу проходити. Коли матеріал розтягують, локальні впорядковані ділянки вирівнюються, а аморфні клубки частково випростовуються, створюючи тимчасові «швидкісні магістралі» для теплового потоку.

Досліди з рентгенівськими методами та раманівською спектроскопією підтвердили: OBC не переходить у повністю кристалічну фазу під навантаженням. Саме ця «майже аморфна» природа дозволяє матеріалу знову й знову повертатися до нижчої провідності після зняття натягу.

Чим це відрізняється від попередніх спроб

Раніші підходи до підвищення теплопровідності поліетилену, зокрема роботи групи професора Ганга Чена, спиралися на незворотне вирівнювання ланцюгів і перехід до кристалічної фази. Такий «раз і назавжди» перехід не дозволяє швидко адаптуватися до умов.

У випадку OBC все інакше: матеріал залишається здебільшого аморфним навіть під навантаженням, тож здатен повертатися до вихідної теплопровідності без деградації. Це відкриває шлях до використання в системах, де потрібна динамічна терморегуляція.

Де це працюватиме завтра

MIT-розробка націлена на продукти, що мають реагувати на зміну температури й навантаження у реальному часі. Потенційні напрями застосування вже окреслені командою.

• Розумний одяг – тканини з волокон OBC, що зберігають тепло під час спокою і миттєво відводять його під час руху.
• Електроніка – компоненти, які «вмикають» посилений тепловідвід під навантаженням, запобігаючи перегріву.
• Будівельні рішення – адаптивні елементи інфраструктури для стабілізації температурних режимів.

Команда також моделює, як «підкручувати» аморфну структуру, щоб збільшити контраст між низькою та високою теплопровідністю. Дослідники прямо ставлять амбітну мету: наблизити «увімкнений» стан до показників матеріалів із надвисокою термопровідністю.

«Нам потрібні дешеві та доступні матеріали, здатні швидко підлаштовуватись під температури довкілля», – наголошує Світлана Боріскіна з MIT. Цікавий факт: перемикання OBC за 0.22 секунди – найшвидше зафіксоване для матеріалів із термічною реверсивністю.

Хто і за які кошти

Дослідження виконали в MIT спільно з Південним університетом науки і технологій у Шеньчжені (Китай). Роботу підтримали Міністерство енергетики США, Office of Naval Research Global via Tec de Monterrey, MIT Evergreen Graduate Innovation Fellowship, MathWorks MechE Graduate Fellowship, а також центри MIT‑SUSTech. Частину експериментів проведено в інфраструктурі MIT.nano та ISN.