Đa số polymer – chất cấu tạo gồm những phân tử dài, kiểu chuỗi – là chất cách điện và cách nhiệt rất tốt. Nhưng một đội khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa tìm ra một cách biến polymer được sử dụng rộng rãi nhất, polyethylene, thành một chất dẫn nhiệt giống hệt như đa số kim loại, nhưng vẫn là một chất cách điện.
Phương pháp mới kéo một sợi mỏng chất liệu (phía trên) ra khỏi một dung dịch lỏng (phía dưới), và trong quá trình ấy, từng sợi polymer độc lập, bắt đầu là một mớ lộn xộn, trở nên rất thẳng hàng. Minh họa của Gang Chen
Quá trình mới làm cho polymer dẫn nhiệt rất hiệu quả theo chỉ một chiều, không giống như các kim loại, chúng dẫn đồng đều theo mọi hướng. Điều này khiến chất liệu mới đặc biệt có ích cho những ứng dụng mà quan trọng là lấy nhiệt ra khỏi một vật, thí dụ như một con chip xử lí của máy vi tính. Công trình nghiên cứu được mô tả trong một bài báo đăng trên số ra ngày 7 tháng 3 của tờ Nature Materials.
Chìa khóa biến đổi là làm cho mọi phân tử polymer sắp thẳng hàng theo kiểu giống nhau, thay vì hình thành nên một mớ lộn xộn, như chúng thường hay làm. Đội nghiên cứu làm như vậy bằng cách từ từ kéo một sợi polyethylene ra khỏi một dung dịch, sử dụng đầu nhọn được điều khiển tinh vi của một kính hiển vi lực nguyên tử, dụng cụ họ thường hay sử dụng để đo tính chất của sợi thu được.
Sợi này dẫn nhiệt tốt hơn khoảng 300 lần so với polyethylene thường dọc theo hướng của từng sợi riêng lẻ, theo lời người đứng đầu nhóm nghiên cứu, Gang Chen, giáo sư kĩ thuật điện ngạch Carl Richard Soderberg và là giám đốc Các phòng thí nghiệm kĩ thuật Micro và Nano Pappalardo thuộc MIT.
Sự dẫn nhiệt cao có thể làm cho những sợi như vậy hữu ích cho việc tiêu tán nhiệt trong nhiều ứng dụng nơi các kim loại hiện đang được sử dụng, ví dụ như bộ gom nước nóng mặt trời, các bộ trao đổi nhiệt và các linh kiện điện tử.
Chen giải thích rằng đa số những nỗ lực nhằm chế tạo ra polymer có độ dẫn nhiệt cải thiện tập trung vào việc bổ sung thêm những chất liệu khác, thí dụ ống nano carbon, nhưng những cách này chỉ mang lại sự tăng khiêm tốn độ dẫn vì lớp tiếp xúc giữa hai loại chất liệu có xu hướng gây ra thêm điện trở nhiệt. “Các lớp tiếp xúc thật sự phân tán nhiệt, cho nên bạn không có được cải thiện gì nhiều”, Chen nói. Nhưng sử dụng phương pháp mới này, độ dẫn được tăng lên nhiều đến mức nó thật sự còn dẫn tốt hơn khoảng một nửa số kim loại nguyên chất, trong đó có sắt và platinum.
Việc tạo ra những sợi mới, trong đó các phân tử polymer đều sắp thẳng hàng thay rối cục, đòi hỏi một quá trình hai giai đoạn, đó là giải thích của nghiên cứu sinh Sheng Shen, tác giả đứng đầu bài báo. Polymer trên ban đầu được làm cho nóng lên và kéo ra, sau đó làm nóng lên lần nữa để nó giãn ra thêm. “Một khi nó đã đặc lại ở nhiệt độ phòng, bạn không thể thực hiện thêm bất kì sự biến dạng nào nữa”, Shen nói, “cho nên chúng tôi làm nó nóng lên hai lần”.
Hình trên là một minh họa bản chất lộn xộn của các sợi polymer, với những chỗ trống dừng nhiệt được thể hiện bằng những đốm đen. Khi làm nóng lên và kéo thành một sợi mỏng (hình dưới), các phân tử sắp thẳng hàng và những chỗ trống bị nén lại, khiến cho chất liệu trở thành một chất dẫn tốt. Ảnh minh họa: Gang Chen
Người ta còn có thể thu được hiệu quả lớn hơn khi kĩ thuật được cải thiện, Chen nói, lưu ý là kết quả thu được từ trước đến nay tiêu biểu cho độ dẫn nhiệt cao nhất từng thấy ở bất kì chất liệu polymer nào. Mức độ dẫn mà chúng mang lại, nếu các sợi có thể được chế tạo thật chất lượng, có thể mang lại một lựa chọn khác rẻ hơn thay thế cho các kim loại dùng trong nhiệm vụ truyền nhiệt ở nhiều ứng dụng, đặc biệt là những ứng dụng mà những đặc điểm định hướng sẽ có ích, thú dụ như các lá trao đổi nhiệt (giống như các cuộn dây nằm phía sau tủ lạnh hoặc trong máy điều hòa không khí), vỏ bọc điện thoại di động, hoặc hộp plastic đối với chip máy tính. Những ứng dụng khác có thể nghĩ ra sẽ khai thác ưu điểm của sự kết hợp bất thường của sự dẫn nhiệt với tải trọng nhẹ, tính ổn định hóa học và cách điện.
Cho đến nay, đội nghiên cứu chỉ mới chế tạo từng sợi lẻ trong cơ cấu phòng thí nghiệm, Chen nói, nhưng “chúng tôi hi vọng sẽ phát triển được để nâng lên quy mô lớn’, sản xuất đồng loạt các tấm vật liệu với tính chất như nhau.
Ravi Prasher, một kĩ sư tại Intel, nói: “chất lượng của công trình nghiên cứu của nhóm giáo sư Chen luôn luôn mang tính hiện tượng”, và ông bổ sung thêm: “đây là một kết quả rất đáng kể” có thể có nhiều ứng dụng trong điện tử học. Câu hỏi còn lại là, theo ông, “việc sản xuất những sợi polymer này có quy mô như thế nào? Có dễ tích hợp những sợi này vào trong những ứng dụng thực tế hay không?”
Tham khảo: Shen S, Henry A, Tong J, Zheng R, Gang Chen G. Polyethylene nanofibres with very high thermal conductivities. Nature Materials. 7 tháng 3, 2010.
Theo PhysOrg.com
