Los polímeros suelen ser el material de referencia para el aislamiento térmico. Piense en un guante de silicona para el horno o una taza de café de espuma de poliestireno, ambos fabricados con materiales de polímeros que son excelentes para atrapar el calor.
Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) han cambiado la imagen del aislante de polímero estándar, al desarrollar películas de polímero delgadas que conducen el calor, una habilidad que normalmente se asocia con los metales. En experimentos, encontraron que las películas, que son más delgadas que las envolturas de plástico, conducen el calor mejor que la cerámica y muchos metales, incluido el acero.
Los resultados del equipo, publicados en la revista Nature Communications, pueden estimular el desarrollo de polímeros aislantes como alternativas ligeras, flexibles y resistentes a la corrosión a los conductores de calor metálicos tradicionales, para aplicaciones que van desde materiales disipadores de calor en procesadores de computadoras portátiles y teléfonos celulares, hasta elementos de sistemas de refrigeración en automóviles y frigoríficos.
«Creemos que este resultado es un paso para estimular este campo», comenta Gang Chen, el profesor de ingeniería energética Carl Richard Soderberg en el MIT, y uno de los principales coautores del artículo. «Nuestra visión más amplia es que estas propiedades de los polímeros pueden crear nuevas aplicaciones y quizás nuevas industrias, y pueden reemplazar a los metales en los intercambiadores de calor».
Los coautores de Chen incluyen al autor principal Yanfei Xu, junto a Daniel Kraemer, Bai Song, Jiawei Zhou, James Loomis, Jianjian Wang, Mingda Li, Hadi Ghasemi, Xiaopeng Huang y Xiaobo Li del MIT y Zhang Jiang de Argonne National Laboratory.
En 2010, el equipo informó sobre el éxito en la fabricación de fibras delgadas de polietileno que eran térmicamente 300 veces mejores conductoras que el polietileno normal, y casi tan buenas conductoras como la mayoría de los metales. Sus resultados, publicados en Nature Nanotechnology, llamaron la atención de varias industrias, incluidos los fabricantes de intercambiadores de calor, procesadores de computadoras e incluso autos de carreras.
Pronto se hizo evidente que, para que los conductores de polímero funcionen para cualquiera de estas aplicaciones, los materiales tendrían que ser escalados desde fibras ultra finas (una fibra única que mide una centésima parte del diámetro de un cabello humano) a películas más manejables.
«En ese momento dijimos que, en lugar de una sola fibra, podemos intentar hacer una hoja», dice Chen. «Resulta que fue un proceso muy arduo».
Los investigadores no solo tuvieron que encontrar una manera de fabricar láminas de polímero conductor del calor, sino que también tuvieron que construir un aparato a medida para probar la conducción del calor en el material, así como desarrollar códigos de computadora para analizar las imágenes al microscopio de las estructuras del material.
Al final, el equipo pudo fabricar películas delgadas de polímero conductor, comenzando con un polvo de polietileno comercial. Normalmente, la estructura microscópica del polietileno y la mayoría de los polímeros se asemeja a una maraña de cadenas moleculares con forma de espagueti. El calor tiene dificultades para fluir a través de ese desorden, lo que explica las propiedades de aislamiento intrínseco de un polímero.
Xu y sus colegas buscaron formas de desenredar los nudos moleculares del polietileno, para formar cadenas paralelas a lo largo de las cuales el calor se puede conducir mejor. Para hacer esto, disolvieron el polvo de polietileno en una solución que provocó que las cadenas enrolladas se expandieran y desenredaran. Un sistema de flujo hecho a la medida desenredó aún más las cadenas moleculares y expulso la solución en una placa enfriada con nitrógeno líquido para formar una película gruesa, que luego se colocó en una máquina de dibujo de rodillos que calentó y estiró la película hasta que fue más delgada que la envoltura de plástico.
