Plastik adalah penyekat panas yang sangat baik, yang berarti mereka dapat memerangkap panas secara efisien – kualitas yang dapat menjadi keuntungan dalam sesuatu seperti lengan cangkir kopi. Namun properti penginsulasian ini kurang diminati dalam produk seperti casing plastik untuk laptop dan ponsel, yang bisa menjadi terlalu panas, sebagian karena casing tersebut memerangkap panas yang dihasilkan perangkat.

Sekarang tim insinyur di MIT telah mengembangkan polimer konduktor termal  — bahan plastik yang meskipun berlawanan dengan intuisi, bekerja sebagai konduktor  , menghantarkan panas daripada mengisolasinya. Polimer baru ini, ringan dan fleksibel, yang dapat menghantarkan 10 kali lebih banyak panas daripada kebanyakan polimer yang digunakan secara komersial.

“Polimer tradisional bersifat menghambat elektrik dan termal. Penemuan dan pengembangan polimer konduktif elektrik telah menyebabkan aplikasi elektronik baru seperti display fleksibel dan biosensor yang dapat dikenakan,” kata Yanfei Xu, seorang postdoc di MIT Department of Mechanical Engineering. “Polimer kami secara termal dapat mennghantarkan dan menghilangkan panas jauh lebih efisien. Kami percaya polimer dapat dibuat menjadi konduktor panas generasi berikutnya untuk aplikasi manajemen termal canggih, seperti alternatif pendinginan mandiri untuk casing peralatan elektronik yang ada.”

Meregangkan spageti

Jika Anda memperbesar mikrostruktur polimer rata-rata, tidak akan sulit untuk melihat mengapa materi dapat menjebak panas dengan mudah. Pada tingkat mikroskopis, polimer dibuat dari rantai panjang monomer, atau unit molekuler, yang dihubungkan dari ujung ke ujung. Rantai-rantai ini sering kali kusut sebagai bola yang mirip spageti. Pembawa panas memiliki waktu yang sulit bergerak melalui kekacauan yang berantakan ini dan cenderung terjebak dalam kekusutan dan simpul polimer.

Namun, para peneliti telah mencoba untuk mengubah penyekat panas alami ini menjadi konduktor. Untuk elektronik, polimer akan menawarkan kombinasi properti yang unik, karena sifatnya yang ringan, fleksibel, dan inert secara kimia. Polimer juga mengisolasi secara elektrik, artinya mereka tidak menghantarkan listrik, dan karenanya dapat digunakan untuk mencegah perangkat seperti laptop dan ponsel dari hubungan arus pendek pada tangan para penggunanya.

Beberapa kelompok telah merancang konduktor polimer dalam beberapa tahun terakhir, termasuk kelompok Chen, yang pada tahun 2010 menemukan metode untuk membuat “nanofibers ultradrawn” dari sampel standar polyethylene. Teknik ini membentangksn polimer yang berantakan dan tidak teratur menjadi ultrathin, sebuah rantai polimer yang lebih teratur. Chen menemukan bahwa rantai yang dihasilkan memungkinkan panas untuk melewati dengan mudah sepanjang dan melalui material, dan bahwa polimer menghantarkan 300 kali lebih banyak panas dibandingkan dengan polimer plastik biasa.

Tetapi penyekat berubah menjadi penghantar hanya bisa mengusir panas dalam satu arah, sejauh panjang setiap rantai polimer. Panas tidak bisa bergerak di antara rantai polimer , karena kekuatan Van der Waals yang lemah — sebuah fenomena yang pada dasarnya menarik dua atau lebih molekul yang saling berdekatan. Xu bertanya-tanya apakah bahan polimer dapat dibuat untuk menyebarkan panas, ke segala arah.

Xu memahami studi saat ini sebagai upaya untuk merekayasa polimer dengan daya hantar panas yang tinggi , dengan secara bersamaan merancang kekuatan intramolekul dan intermolekul — metode yang ia harapkan akan memungkinkan penghantaran panas yang efisien di sepanjang dan di antara rantai polimer.

Tim akhirnya menghasilkan polimer yang melakukan panas yang dikenal sebagai polythiophene, sejenis konjugasi polimer yang umumnya digunakan di banyak perangkat elektronik.

Petunjuk panas ke segala arah

Xu, Chen, dan anggota lab Chen bekerja sama dengan Gleason dan anggota labnya untuk mengembangkan cara baru untuk merekayasa konduktor polimer menggunakan deposisi uap kimia oksidatif (oCVD), di mana dua uap diarahkan menuju ruang dan substrat, di mana mereka berinteraksi dan membentuk sebuah film. “Reaksi kami mampu menciptakan rantai polimer yang kaku, daripada untaian spageti yang seperti bengkok pada polimer normal.” Kata Xu.

Dalam hal ini, Wang mengalirkan oksidan ke dalam ruangan, bersama dengan uap monomer – unit molekul individual yang, ketika teroksidasi, membentuk rantai yang dikenal sebagai polimer.

“Kami mengembangkan polimer pada substrat silikon / kaca, di mana oksidan dan monomer teradsorpsi dan bereaksi, memanfaatkan mekanisme pertumbuhan model mandiri yang unik dari teknologi CVD,” kata Wang.

Wang menghasilkan sampel yang relatif berskala besar, masing-masing berukuran 2 sentimeter persegi – seukuran sidik jari.

“Karena sampel ini digunakan di mana-mana, seperti pada sel surya, transistor efek medan organik, dan dioda pemancar cahaya organik, jika bahan ini dapat dibuat menjadi konduktif termal, itu dapat melepaskan panas di semua elektronik organik,” kata Xu. .

Tim mengukur masing-masing konduktivitas termal menggunakan reflektansi termal teknik domain waktu  di mana mereka menembakkan laser ke bahan untuk memanaskan permukaannya dan kemudian memantau penurunan suhu permukaannya dengan mengukur reflektansi material saat panas menyebar ke bahan.

“Profil temporal peluruhan suhu permukaan terkait dengan kecepatan penyebaran panas, dimana kami dapat menghitung konduktivitas termal,” kata Zhou.

Rata-rata, sampel polimer mampu melakukan panas pada sekitar 2 watt per meter per kelvin – sekitar 10 kali lebih cepat daripada apa yang dapat dicapai polimer konvensional. Di Argonne National Laboratory, Jiang dan Xu menemukan bahwa sampel polimer muncul hampir isotropik, atau seragam. Hal ini menunjukkan bahwa sifat material, seperti konduktivitas termal, juga hampir seragam. Mengikuti alasan ini, tim memperkirakan bahwa material menghantarkan panas dengan baik ke segala arah, meningkatkan potensi penlepasan panasnya.

Ke depan, tim akan terus mengeksplorasi fisika dasar di balik konduktivitas polimer, serta cara-cara untuk memungkinkan bahan yang akan digunakan dalam elektronik dan produk lainnya, seperti casing untuk baterai, dan film untuk papan sirkuit tercetak.

“Kami dapat secara langsung dan sesuai melapisi bahan ini ke wafer silikon dan perangkat elektronik yang berbeda” kata Xu. “Jika kita dapat memahami bagaimana transportasi termal bekerja dalam struktur yang tidak teratur ini, mungkin kita juga dapat mendorong konduktivitas panas yang lebih tinggi . Kemudian kita dapat membantu mengatasi masalah panas yang meluas ini, dan memberikan manajemen termal yang lebih baik.”(ikons.id)