Un equipo de investigación de la Universidad de Massachusetts Amherst desarrolló recientemente un nuevo material plástico que reduce significativamente la conductividad térmica y exhibe propiedades retardantes de llama sin aumentar el peso, sacrificar la resistencia o cambiar el proceso de moldeo. Los resultados de la investigación abren nuevas ideas para controlar el comportamiento de la conductividad térmica de materiales sólidos mediante la "diseñación" de trayectorias de vibración atómica dentro de los polímeros, y se espera que promuevan la llegada de un nuevo tipo de plástico que sea liviano, flexible, térmicamente aislante y retardante de llama.
En los materiales aislantes tradicionales, la estrategia más común es aprovechar la baja conductividad térmica del aire para "atrapar" una gran cantidad de aire en el interior del material a través de estructuras espumadas o porosas, dificultando así la transferencia de calor. Esta solución es adecuada para productos como paneles aislantes de espuma, pero la creación artificial de poros dentro del plástico a menudo debilitará la resistencia mecánica del material, reducirá su durabilidad y aumentará la complejidad de la producción. Por lo tanto, tiene limitaciones obvias en componentes estructurales y escenarios de aplicación de alta confiabilidad.
El equipo de la Universidad de Massachusetts optó por evitar la ruta de la "espuma" y, en cambio, intervenir directamente en los mecanismos microscópicos de transferencia de calor dentro de los sólidos. En los materiales sólidos, el calor se transfiere principalmente entre redes cristalinas o cadenas moleculares mediante la vibración de átomos o moléculas. Cuanto más ordenadas sean las vibraciones y más suave sea el camino, más fácil será que se propague el flujo de calor. El líder de la investigación, Yanfei Xu, y su equipo esperan interrumpir esta transferencia coordinada mediante "ingeniería de vibración" para que el calor se vea obligado a tomar un "desvío" en el material.
Xu Yanfei comparó la transferencia de calor en materiales tradicionales de alta conductividad térmica con los bomberos haciendo cola ordenada para pasar cubos de manera eficiente: los átomos están ordenados de manera ordenada y la energía se puede transferir sin problemas de un extremo al otro. Su nuevo material se parece más a un grupo de niños corriendo, sosteniendo solo vasos pequeños, cada uno caminando aleatoriamente en diferentes direcciones, y la eficiencia de transmisión se reduce considerablemente. En este estado, que el equipo llama "caos lento", el número de canales de vibración disponibles para la conducción del calor se reduce significativamente y el flujo de calor se "ralentiza" efectivamente dentro del material.
En los primeros experimentos, los investigadores combinaron poliuretano con un relleno llamado THDBT (tetrahidroxidesoxibenzointriazol) para crear un compuesto polimérico denso. Los resultados de las pruebas mostraron que la conductividad térmica de esta mezcla de polímeros se redujo en aproximadamente un 17 % en comparación con el material no modificado, al tiempo que exhibía propiedades retardantes de llama. Aunque la disminución sigue siendo modesta, el equipo cree que este resultado valida una nueva estrategia para regular la conducción de calor limitando la "densidad de los modos de vibración térmicamente accesibles".
Xu Yanfei explicó que si los canales de vibración dentro del material que se pueden utilizar para la utilización del calor se pueden reducir sin introducir poros, se espera suprimir la conductividad térmica mientras se mantiene la densidad, la flexibilidad mecánica y el retardo de llama del material. Esto significa que algunas piezas de plástico en el futuro podrán lograr un mejor rendimiento de aislamiento térmico sin cambiar su tamaño y estructura originales. Las posibles aplicaciones incluyen trajes espaciales y componentes estructurales de naves espaciales, materiales de construcción energéticamente eficientes y embalajes de dispositivos electrónicos que requieren una gestión térmica sofisticada.
La mayoría de las soluciones actuales para mejorar las propiedades de aislamiento térmico de los plásticos sacrifican la resistencia del material o aumentan la complejidad del proceso de fabricación. Por lo tanto, en aplicaciones de ingeniería, a menudo se requieren difíciles equilibrios entre aislamiento térmico, propiedades mecánicas y viabilidad del procesamiento. Este estudio muestra un tercer camino posible: en lugar de cambiar la estructura macroscópica del plástico, lo "programa" desde el nivel de vibración atómica y utiliza el diseño molecular para reconstruir el canal de flujo de calor. Se publicó un artículo relacionado en "Materials Horizons" titulado "Supresión del transporte térmico en híbridos de polímeros no porosos mediante la limitación de los modos vibratorios térmicamente accesibles".
Este trabajo fue completado por Henry Worden, Mihir Chandra y otros investigadores junto con Xu Yanfei, y fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la Administración Federal de Aviación (FAA) y la Universidad de Massachusetts Amherst. La comunidad científica generalmente cree que si este concepto de "caos lento" se verifica y amplifica en más sistemas materiales, puede promover el surgimiento de una nueva clase de plásticos aislantes térmicos de alto rendimiento, que tendrán un profundo impacto en la industria aeroespacial, la conservación de energía en los edificios y la gestión térmica de los dispositivos electrónicos.