纳米级热量开关，可在导体—绝缘体间极速切换_风闻

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编译／雷鑫宇  审稿／西莫  责编／张梦

研究人员开发了一种新型聚合物纤维，它在热激活下可迅速可逆改变自身结构。因此，该纤维可用于开发热调节器。

这种聚合物热调节器可以迅速完成导体-绝缘体和绝缘体-导体切换。通过状态切换，它能够调节自身和周围环境的温度。

小事物也可以带来大不同。美国卡内基梅隆大学机械工程学院副教授Sheng Shen对此深有感触。他从事的研究工作与物质的微观结构紧密相关。

近日，据《科学进展》杂志报道，Shen的团队开发了一种新型聚合物纳米纤维，其对热流的控制效率是其他材料的2.5倍。

聚合物材料已经深深扎根于人类的生活中，比如常见的塑料、尼龙和橡胶。在聚合物中，大量相同的分子按一定顺序连接在一起，形成聚合物链段。如果工程师们能对分子的连接方式进行设计，那么就能制造出性能可控的聚合物材料。

橡胶是典型的聚合物材料。

根据这一理念，Shen的团队开发了一种强度高、质量轻、导热性和生物相容性良好的聚合物纳米纤维。这种纤维的直径不足100纳米，仅为人类头发的千分之一。

在此基础上，Shen等还开发了一种聚合物热调节器，它能够快速地从导体变成绝缘体，或者由绝缘体快速变为导体。当聚合物热调节器为导体时，热量传递非常迅速，而当它是绝缘体时，传热就变得非常缓慢。通过在两种状态之间迅速切换，热调节器能够调节自身和周围环境的温度。

为了实现高、低电导率之间的切换，聚合物的结构必须有相应的改变，并且这种响应转化只能由热激活。

通过在两种状态之间迅速切换，热调节器能够调节自身和周围环境的温度。

Shen说：“最初，聚合物为高度有序的晶体结构。当温度升高至大约340开尔文时，聚合物的分子结构逐渐转变为六方相。发生这种转化的原因在于热量是以分子键为目标的。受热量影响，分子间的结合变得很脆弱，分子片段开始具备可旋转性。一旦分子片段开始旋转，整个结构就会变得无序化，导热系数就降低了。虽然在固体-固体转变过程中，聚合物逼近了熔点温度，但它仍然会保持固相。”

在研究过程中，Shen关注了聚合物电导率的变化情况。Shen表示，新材料的电导率变化可达到10倍左右。此外，在5开尔文的范围内，聚合物的结构变化非常迅速，并且是可逆的。它能够处理比其他热调节器更高的温度（560开尔文左右）。由于是热激活材料，新型聚合物的效率比典型的冷却型材料更高。

此前研究人员已经在理论上对热激活热调节器进行了探索，但Shen的团队首次在实验中证实了其可行性。

卡内基梅隆大学机械工程学院研究人员Wei Gong、Xiao Luo和Sheng Shen。

Shen坚信这种聚合物材料会在现实世界中有巨大的应用价值。他说：“新型聚合物为纳米级热流控制开辟了新天地。科学家们可以在此基础上开发出多种热工设备、固态制冷、余热清除和热电路方面的应用。”

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：

https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2019/12/16-shen-heat-flow.html

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