רוב הפולימרים – חומרים המורכבים מפרודות דמויות שרשראות ארוכות – הינם מבודדי חום וחשמל טובים מאוד. אולם, צוות מחקר ממכון MIT מצא דרך להפוך את הפולימר השימושי ביותר כיום, פוליאתילן, לחומר המוליך חום ברמה של רוב המתכות, בעודו נותר מבודד חשמל.
התהליך החדש גורם לפולימר להוליך חום ביעילות רבה לאורך ציר אחד בלבד, שלא כמו במתכות, המוליכות חום לכל הכיוונים באותה המידה. ממצא זה יכול להפוך את החומר שימושי במיוחד עבור יישומים בהם חשוב להרחיק חום מעצם מסוים, כגון שבבי-מחשבים. ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Materials.
גורם המפתח להמרה מוצלחת זו היה היכולת לארגן את כל פרודות הפולימר כך שתסתדרנה באותו הכיוון, בניגוד למצבן הכאוטי הרגיל. צוות המחקר הצליח לעשות זאת ע”י משיכה איטית של סיב פוליאתילן מתמיסה, באמצעות שליטה עדינה בשְׁלוּחָה (cantilever) של מיקרוסקופ כח אטומי (AFM) אשר שימש גם למדידת תכונותיו של הסיב המוגמר.
סיב זה הוליך חשמל טוב יותר מפוליאתילן רגיל בשיעור של פי שלוש-מאות פעמים לאורך ציר הסיבים הפרטניים, מציין החוקר הראשי, Gang Chen, פרופסור להנדסת חשמל במכון המחקר MIT.
מוליכות החום הגבוהה תוכל להפוך סיבים אלו שימושיים עבור פיזור חום ביישומים רבים בהם משמשים היום מתכות, כגון קולטי-שמש לחימום מים, ממירי חום ורכיבי אלקטרוניקה שונים.
החוקר הראשי מסביר שרוב הניסיונות הקודמים להכנת פולימרים בעלי מוליכות חום משופרת התמקדו בשילובם עם חומרים אחרים, כדוגמת ננו-צינורות פחמן, אולם בחומרים משולבים אלו נצפתה עלייה מתונה בלבד במוליכות מכיוון שהממשק שבין שני סוגי החומרים נטה להוסיף התנגדות חום. “הממשקים למעשה מפזרים חום, כך שלא מתקבל שיפור ניכר,” מציין החוקר. אולם, ע”י שימוש בשיטה חדשה זו, המוליכות הוגברה במידה כה רבה עד לרמה שהייתה טובה יותר מכמחצית מהמתכות הטהורות, בכללן ברזל ופלטינה.
יצירת הסיבים החדשים, בהם פרודות הפולימר מסודרות כולן באותו הכיוון במקום להיות באי-סדר, חייבה תהליך דו-שלבי, מסביר אחד מהחוקרים. בתחילה הפולימר מחומם ונמשך החוצה, ואז מחומם שוב בכדי למתוח אותו עוד. “ברגע שהוא מתמצק בטמפרטורת החדר, לא ניתן לגרום לו עוד עיוותים בשיעור נרחב,” מסביר החוקר הראשי.
ייתכן ויצוצו יתרונות אפילו יותר גדולים ככל שהשיטה תשתפר, אומר החוקר הראשי, בציינו כי אפילו הממצאים שהתקבלו עד כה מייצגים את מוליכות החום הגבוהה ביותר שהושגה עד כה בחומרים פולימריים. כבר עכשיו, רמת המוליכות שהתקבלה, אם ניתן יהיה לייצר את הסיבים הללו בקנה-מידה תעשייתי, תוכל לספק חלופה זולה יותר למתכות המשמשות לפיזור חום בשלל יישומים, בייחוד בכאלה שמאפייני הכיווניות יהיו משמעותיים בהם, כדוגמת ממירי-חום (כמו הצינורות הגליליים באחורי מקפיא או במזגן), מארזים לטלפונים ניידים, או אריזות פלסטיק עבור שבבי מחשב. ניתן יהיה לתכנן יישומים אחרים שינצלו את יתרונותיו של החומר החדשני כמו שילוב ייחודי של מוליכות חום עם משקל נמוך, יציבות כימית ובידוד חשמלי. עד כה, הצוות הצליח לייצר סיבים פרטניים במסגרת מעבדתית, אומר החוקר, אולם “אנו מקווים כי בהמשך הדרך נוכל להעביר את היצור לקנה-מידה תעשייתי,” תוך הפקת משטחים שלמים של החומר החדשני בעלי אותם המאפיינים.
Ravi Prasher, מהנדס בחברת השבבים אינטל, אומר כי “ממצאי המחקר הזה משמעותיים ביותר” ויוכלו לסייע בפיתוח יישומים רבים באלקטרוניקה. השאלה שנותרה הינה עד כמה יהיה ניתן להעביר את תהליך הייצור לקנה-מידה מסחרי, וכיצד אפשר יהיה לשלב את הסיבים הללו ביישומים מעשיים.
תגובה אחת
מעניין ביותר! יפה לראות שבכל יום שעובר מוצאים עוד ביטויים לננוטכנולוגיות ולחומרים מבוססי פחמן. בכתבה הזו נאמר שהחומר שנוצר בצורתו המסודרת מוליך ב 3 סדרי גודל יותר מאשר אותו חומר בצורתו הלא מסודרת וכן שההולכה הזו טובה יותר מברזל ומפלטינה. מפתיע ללמוד שרק שלושה סדרי גודל מפרידים בין מוליכות של מתכת למוליכות של קרבוהידרט. היית חושב שזה הרבה יותר, אבל כנראה שהפער לא בשמיים ואכן הראו כי הוא ניתן לגישור בעזרת מניפולציה על החומר. מרתק