用光控制聚合物的导热性

在一项新研究中，研究人员设计并展示了一种新型聚合物，证明了这种聚合物的导热系数可以由光控制。该聚合物材料具有按需传导热量的潜力，并能够采用新的、更智能的方式来管理热量。

图片来源：伊利诺伊大学材料研究实验室

在环境条件或可见光（图中左侧）下，聚合物是结晶的并且具有高导热性。 一旦暴露在紫外（UV）光（右侧），它就会转变成低导热率的液体。使用偏振光学显微镜进行成像; 晶体看起来很亮，而液体很暗。插图显示了每种状态下结晶和液体聚合物的示意图。

聚合物经常被用作热绝缘体，从保持饮料热度到保持敏感电子产品冷却。在某些情况下，聚合物甚至可以用作热导体，以实现有效的加热或冷却。

在一项新的研究中，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员设计并展示了一种新型聚合物，证明了通过光的控制可以让这种聚合物材料具有可切换导热系数。该材料具有按需传导热量的潜力，并能够采用新的、更智能的方式来管理热量。

该研究结果发表在Proceedings of the National Academy of Sciences上。

“聚合物广泛用于工程系统中，但这些材料几乎一直被认为是热静电的。通过光学激发聚合物，可以在热导态和绝缘态之间实现快速切换，这一发现将为热工程带来全新的机遇。” 材料科学与工程（MatSE）教授兼伊利诺伊大学材料研究实验室主任Paul Braun解释道。

“据我们所知，这是在所有聚合物材料中首次观察到光激发的可逆的晶-液相变。这项研究中特别值得注意的发现是与相变相关的热导率快速、可逆的3倍的变化。”伊利诺伊大学材料科学与工程的博士生Jungwoo Shin解释说。

响应于光的照射，聚合物会展现出热物理特性。一种由伊利诺伊XX团队开发的热开关聚合物展示出了对光照下聚合物的光物理特性的强有力的控制能力。这种能力来自光敏感分子偶氮苯，它可以被紫外线（UV）和可见光激发。

“我们合成了一种具有功能化的光反应性偶氮苯基团的复合聚合物。通过紫外和可见光照射，我们可以改变偶氮苯基团的形状，调节链间键合强度并驱动晶体和液体之间的可逆转变，” 伊利诺伊大学材料科学与工程的博士生Jaeuk Sung说。

为了捕获偶氮苯聚合物在光照下的热导率转变，伊利诺伊的研究团队采用了一种由伊利诺伊材料科学与工程（MatSE）教授David Cahill开发的被称为时域热反射（TDTR）的技术。

“在聚合物中传导热量的方式与振动模式的扩散有关。在有序晶体中，这些振动模式比在无序液体中观察到的振动模式传播得更远。因此，聚合物的分子排列的极端变化可以显著改变导热系数，”David Cahill说。

大分子排列的这种极端变化，例如从晶体到液体，在自然界中是罕见的，并且之前没有报道任何聚合物系统能对光产生响应。因此，解开光激发相变的机制对于理解聚合物的独特行为至关重要。

“我们可以观察到，在光线照射下，这种材料迅速从一种状态转换到另一种状态，具有显著不同的热传导性能。我们使用基于同步加速器的X射线散射来阐明转化过程中与每种状态相关的结构。”伊利诺伊材料科学与工程（MatSE）教授Cecilia Leal补充道。

“电气设备的保暖与保持冷却同样重要。具有可切换导热性的材料可以使电气系统即使在极端条件下也能保持安全、可靠和高效。”支持这项研究工作的美国国家科学基金会（NSF）赞助的电热系统功率优化工程研究中心（POETS）主任Andrew Alleyne解释说，他也是伊利诺伊大学机械科学与工程教授。

“通过暴露在光线下快速切换聚合物热性质的能力为在分子水平上控制热传输和能量转换开辟了令人兴奋的新途径，” 伊利诺伊材料科学与工程（MatSE）教授Nancy Sottos补充道。

这一发现为如何利用光来控制聚合物的导热性提供了一个鲜明的例子。更好地理解导热系数和大分子排序之间的物理关系也有助于突破传统聚合物的极限。

原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190311125153.htm