چاپ، پلیمرها را تخت می‌کند و خواص الکتریکی و اپتیکی را بهبود می‌بخشد

محققان راهی پیدا کرده اند که از چاپ پلیمر برای کشش و تخت کردن مولکولهای پیچ خورده استفاده کنند تا برق را بهتر هدایت کنند. تیمی به رهبری مهندسین شیمی و مولکول زیستی از دانشگاه ایلینویز یافته های خود را در ژورنال پیشرفت های علم گزارش می دهند.
 
پلیمرهای در هم آمیخته شده توسط اجتماع مولکولهای غنی از الکترون در امتداد یک ستون فقرات از پیوندهای شیمیایی تک و دوتایی متناوب تشکیل می شوند. این پیوستگی به برق اجازه می دهد تا خیلی سریع از طریق پلیمر تردد کند و آن را برای استفاده در کاربردهای الکتریکی و نوری بسیار مطلوب می سازد. محققان گفتند این شیوه حمل بارها الکتریکی به حدی خوب کار می کند که پلیمرهای در هم آمیخته اکنون آماده رقابت با مواد سیلیکونی هستند.
 
لکن ، این پلیمرها هنگام پیوستن به هم تمایل به از شکل افتادن در مارپیچهای پیچ خورده دارند ، که این به شدت مانع حمل بار الکتریکی می شود.
 
یینگ دیائو ، استاد مهندسی شیمی و بیومولکولی ، که هدایت این مطالعه را بر عهده داشت ، گفت: "صاف بودن یا مسطح بودن یک پلیمر در هم آمیخته نقش زیادی در توانایی آن در انتقال برق دارد." "حتی پیچ و تاب کمی در ستون فقرات می تواند مانع توانایی الکترون ها برای عدم تمرکز و جریان شود."
 
دیائو گفت ، می توان پلیمرهای در هم آمیخته را با اعمال فشار بسیار زیاد یا دستکاری در ساختار مولکولی آنها صاف کرد ، اما هر دو روش بسیار پر زحمت هستند. "واقعاً هیچ راهی آسان برای انجام این کار وجود ندارد."
 
محقق فوق دکترا کیونگ سان پارک و دانشجوی فارغ التحصیل جاستین کووک هنگام هدایت آزمایش های چاپ و شبیه سازی های جریان در آزمایشگاه دیائو متوجه چیزی شدند. محققان می گویند که پلیمرها در طی چاپ دو مرحله متمایز از جریان را طی می کنند: اولین مرحله وقتی رخ می دهد که عمل موئینگی جوهر پلیمر را وقتی که شروع به تبخیر می کند بالا می کشد ، و مرحله دوم نتیجه نیروهای تحمیل شده توسط تیغه های چاپ و بستره است.
 
دیائو گفت: "پارک و کووک مرحله دیگری را کشف کردند که در طول چاپ رخ می دهد که در آن به نظر می رسد پلیمرها دارای خواص بسیار متفاوتی هستند." "این مرحله سوم بین دو مرحله قبلاً تعریف شده رخ می دهد ، و نشان می دهد که پلیمرها در حال کشیده شدن به شکل های مسطح هستند."
 
دیائو گفت ، نه تنها پلیمرها در این مرحله سوم کشیده و مسطح می شوند ، بلکه همچنین آنها پس از رسوب زدایی از محلول نیز به این شکل باقی می مانند ، و این امکان را فراهم می آورند که تنظیمات پرینتر را به دقت تنظیم کنید تا پلیمرهای در هم آمیخته را برای استفاده در دستگاه های جدید و سریع‌تر زیست پزشکی و الکترونیک انعطاف پذیر تولید کنید.
 
دیائو گفت: "ما در حال کشف باغ وحش کاملی از مراحل جدید پلیمری هستیم ، که همه نسبت به نیروهایی که در طی فرآیند چاپ روی می دهند حساس هستند." صاف بودن یا مسطح بودن یک پلیمر در هم آمیخته نقش زیادی در توانایی آن در انتقال برق دارد. "ما اینگونه تصویر پردازی می کنیم که این تعادل های کاوش نشده و مرحله های تحریک شده با جریان در نهایت به پلیمرهای جدید در هم آمیخته با خواص اپتوالکترونیکی مهیج تبدیل می شوند."
 

پلیمرها معمولاً ماده عایق حرارتی هستند. به یک دستکش بلند سیلیکونی اجاق یا یک فنجان استیروفوم قهوه فکر کنید ، هر دو از مواد پلیمری ساخته شده و در به دام انداختن گرما بسیار عالی هستند.
 
اکنون مهندسان MIT با ساختن فیلم های پلیمری نازک که گرما را هدایت می کنند - توانایی ای که معمولاً با فلزات همراه است - تصویری که از عایق پلیمری استاندارد وجود دارد را معکوس کرده اند. در آزمایشات ، آنها فیلم هایی را پیدا کردند که از پوشش پلاستیکی نازک تر هستند و گرما را بهتر از بسیاری از فلزات شامل فولاد و سرامیک هدایت می کنند.
 
نتایج این تیم ، که در ژورنال ارتباطات طبیعت منتشر شده است ، ممکن است تحریکی باشد برای توسعه عایق های پلیمری‌ به عنوان جایگزین های سبک ، انعطاف پذیر و مقاوم در برابر خوردگی برای رساناهای گرمایی فلزی سنتی ، برای کاربردهای مختلف از مواد دفع گرما در لپ تاپ ها و تلفن های همراه گرفته تا عناصر خنک کننده در خودروها و یخچال ها.
 
"ما فکر می کنیم این نتیجه گامی برای تحریک این زمینه است."  "دید بزرگتر ما این است که این خواص پلیمرها می توانند کاربردها و شاید صنایع جدیدی ایجاد کنند و ممکن است جایگزین فلزات به عنوان مبدل های حرارتی شوند."
 
در سال 2010 ، این تیم گزارش موفقیت خود را در ساخت الیاف نازک پلی اتیلن ، که 300 برابر هدایت گرمایی بیشتر از پلی اتیلن معمولی داشتند و تقریباً به اندازه اغلب فلزات رسانای گرمایی بودند ، دادند. نتایج آنها ، که در ژورنال نانوتکنولوژی طبیعت منتشر شد ، توجه صنایع مختلفی از جمله تولید کنندگان مبدل های حرارتی ، پردازنده های هسته رایانه و حتی اتومبیل های مسابقه را به خود جلب کرده است.
 
خیلی زود مشخص شد ، برای این که هادی های پلیمری بتوانند برای هر یک از این کاربردها کار کنند ، مواد باید از فیبرهای فوق العاده نازک (یک فیبر منفرد به اندازه یک صدم قطر موهای انسان اندازه گیری می شود) به فیلم های قابل کنترل تر افزایش ابعاد دهند.
 
چن می گوید: "در آن زمان که گفتیم به جای یک فیبر واحد ، می توانیم تلاش کنیم که یک ورق بسازیم." "این روند بسیار دشوار از کار در آمد."
 
محققان نه تنها لازم بود از پسِ ساختن ورق های رسانای گرما از پلیمر بر آیند ، بلکه همچنین لازم بود اسبابی سفارشی را می ساختند تا بتوانند هدایت گرمای این ماده را تست کنند ، و همچنین کدهای رایانه ای را برای تحلیل تصاویر ساختارهای میکروسکوپی مواد تهیه کنند. در پایان ، این تیم توانست فیلم های نازکی از پلیمرهای هادی را با شروع از پودر پلی اتیلن تجاری بسازد.
 
منبع: دانشگاه ایلینویز در Urbana-Champaign ، دفتر خبر