پلاستیکی که گرما را بهتر مهار می‌کند، بدون آنکه استحکامش را از دست بدهد

به گزارش آذرنگارنده:

پژوهشگران دانشگاه ماساچوست امهرست (UMass Amherst) روشی تازه برای ساخت پلاستیک‌هایی ارائه کرده‌اند که می‌توانند انتقال گرما را کاهش دهند، بدون آنکه مانند بسیاری از مواد عایق رایج، دچار افت استحکام، افزایش پیچیدگی ساخت یا کاهش دوام شوند. این دستاورد می‌تواند در آینده به توسعه موادی سبک، انعطاف‌پذیر، مقاوم در برابر آتش و مناسب برای کاربردهایی از ساختمان‌های کم‌مصرف تا الکترونیک، فضاپیما و لباس‌های فضایی منجر شود.

نتایج این پژوهش در مجله Materials Horizons منتشر شده و بر یک ایده متفاوت تمرکز دارد: به‌جای آنکه برای عایق‌کاری، درون پلاستیک حفره یا فضای خالی ایجاد شود، دانشمندان تلاش کرده‌اند ارتعاشات اتمی ناقل گرما را درون ماده مختل کنند.

مشکل عایق‌سازی در پلاستیک‌ها چیست؟

بسیاری از مواد عایق حرارتی، از جمله فوم‌ها، با به‌دام انداختن هوا کار می‌کنند. دلیل این موضوع آن است که هوا رسانای ضعیفی برای گرماست. اما وقتی چنین راهکاری در پلاستیک‌ها به کار می‌رود، معمولاً به قیمت کاهش استحکام مکانیکی، افت دوام و دشوارتر شدن فرایند تولید تمام می‌شود.

به همین دلیل، تیم پژوهشی UMass Amherst به‌جای افزودن فضای خالی، سراغ خود مکانیسم انتقال گرما در جامدات رفت.

گرما در جامدات چگونه جابه‌جا می‌شود؟

در مواد جامد، بخش بزرگی از گرما از طریق ارتعاشات اتمی منتقل می‌شود. هرچه مسیرهای این ارتعاشات منظم‌تر و در دسترس‌تر باشند، گرما راحت‌تر در ماده حرکت می‌کند. فلزات به همین دلیل رسانای خوبی هستند، چون انرژی می‌تواند به‌سرعت در ساختار اتمی آن‌ها جابه‌جا شود.

پژوهشگران این مطالعه، به سرپرستی Yanfei Xu، استاد دانشکده مهندسی Riccio College of Engineering در UMass Amherst، تلاش کرده‌اند این مسیرهای ارتعاشی را به‌گونه‌ای برهم بزنند که حرکت گرما در ماده کندتر شود.

از «صف منظم آتش‌نشان‌ها» تا «آشوب آهسته»

Xu برای توضیح این ایده از یک تشبیه ساده استفاده می‌کند. در حالت عادی، انتقال گرما شبیه صفی از آتش‌نشان‌ها است که سطل‌های آب را با هماهنگی کامل دست‌به‌دست می‌کنند. در این تشبیه:

• اتم‌ها نقش آتش‌نشان‌ها را دارند
• گرما نقش سطل‌های آب را

وقتی همه چیز منظم و هماهنگ باشد، گرما با سرعت بالایی منتقل می‌شود.

اما پژوهشگران دقیقاً می‌خواستند این هماهنگی را از بین ببرند. آن‌ها رویکردی را به کار بردند که خودشان آن را نوعی «آشوب آهسته» (slow chaos) توصیف می‌کنند. در این وضعیت، به‌جای یک صف منظم، ماده بیشتر شبیه گروهی نامنظم از کودکانی است که هرکدام در جهتی حرکت می‌کنند و به‌جای سطل‌های بزرگ، فقط فنجان‌های کوچکی در دست دارند. در نتیجه، انتقال گرما بسیار ناکارآمدتر می‌شود.

این کار چگونه انجام شد؟

برای ایجاد این اختلال در مسیرهای ارتعاشی، پژوهشگران از نوعی مهندسی ارتعاشی (vibrational engineering) استفاده کردند. آن‌ها یک هیبرید پلیمری غیرمتخلخل بر پایه:

• پلی‌یورتان (polyurethane)
• و tetrahydroxy deoxybenzoin triazole یا THDBT

ساختند.

در این سامانه، تجمعات مولکولی THDBT باعث می‌شوند تعداد مسیرهای ارتعاشی‌ای که به‌صورت حرارتی در دسترس‌اند، کاهش پیدا کند. به بیان ساده، ماده هنوز متراکم باقی می‌ماند، اما راه‌های مؤثر برای عبور گرما درون آن کمتر می‌شود.

نتیجه چه بود؟

در آزمایش اولیه، این طراحی توانست رسانایی گرمایی ماده را حدود ۱۷ درصد کاهش دهد. افزون بر این، ماده به‌دست‌آمده ویژگی بازدارندگی شعله نیز از خود نشان داد.

هرچند این کاهش ۱۷ درصدی در نگاه اول شاید خیلی بزرگ به نظر نرسد، اما اهمیت اصلی کار در این است که این بهبود بدون ایجاد تخلخل و بدون قربانی کردن ویژگی‌های مهم ماده به دست آمده است.

به گفته پژوهشگران، این روش نشان می‌دهد که می‌توان با کنترل تعداد مدهای ارتعاشی قابل‌دسترس برای انتقال گرما، هدایت حرارتی را سرکوب کرد، در حالی که ماده همچنان:

• چگال باقی می‌ماند
• انعطاف‌پذیر و از نظر مکانیکی سازگار است
• و مقاوم در برابر آتش باقی می‌ماند

چرا این یافته مهم است؟

در بسیاری از کاربردهای پیشرفته، فقط عایق بودن کافی نیست. ماده باید هم‌زمان چند ویژگی را با هم داشته باشد: سبکی، استحکام، انعطاف‌پذیری، ایمنی در برابر آتش و قابلیت تولید صنعتی. به همین دلیل، راهبردی که بتواند رسانایی گرمایی را بدون ایجاد ساختارهای متخلخل کاهش دهد، می‌تواند بسیار ارزشمند باشد.

این موضوع به‌ویژه برای حوزه‌هایی مانند موارد زیر مهم است:

• لباس‌ها و تجهیزات فضایی
• فضاپیماها
• ساختمان‌های کم‌مصرف انرژی
• الکترونیک‌هایی که به مدیریت حرارتی بهتر نیاز دارند

محدودیت‌ها و چشم‌انداز آینده

پژوهشگران تأکید می‌کنند که این مطالعه هنوز در مرحله اولیه است و کاهش ۱۷ درصدی، تنها یک اثبات مفهوم (proof of concept) محسوب می‌شود. با این حال، آن‌ها معتقدند این روش یک مسیر تازه برای طراحی مواد باز می‌کند؛ مسیری که به‌جای تکیه بر حفره‌ها و فوم‌سازی، از کنترل رفتار ارتعاشی در مقیاس اتمی استفاده می‌کند.

اگر این رویکرد در مطالعات بعدی بهینه‌سازی شود، می‌تواند به نسل جدیدی از پلیمرها منجر شود که هم برای عایق‌کاری حرارتی مناسب‌اند و هم از نظر مکانیکی و ایمنی عملکرد قابل قبولی دارند.

مشخصات مقاله:

“Suppressing thermal transport in nonporous polymer hybrids by limiting thermally accessible vibrational modes”

Materials Horizons, 2026

DOI: 10.1039/D6MH00633G