Un simple étirement modifie la capacité de ce polymère à transporter la chaleur

Jennifer Chu

La plupart des matériaux ont une capacité inhérente à gérer la chaleur. Le plastique, par exemple, est généralement un mauvais conducteur thermique, tandis que des matériaux comme le marbre transfèrent la chaleur plus efficacement. Si vous posiez une main sur un plan de travail en marbre et l’autre sur une planche à découper en plastique, le marbre conduirait plus de chaleur depuis votre main, créant une sensation de froid par rapport au plastique. 

Typiquement, la conductivité thermique d’un matériau ne peut être modifiée sans le re-fabriquer. Mais des ingénieurs du MIT ont maintenant découvert qu’un matériau relativement courant peut changer sa conductivité thermique. Simplement en étirant le matériau, on augmente rapidement sa conduction de chaleur, passant d’une ligne de base similaire à celle du plastique à une capacité plus élevée, plus proche de celle du marbre. Lorsque le matériau revient à sa forme non étirée, il retrouve ses propriétés plastiques. 

Ce matériau thermiquement réversible est un copolymère séquencé oléfinique — un polymère souple et flexible utilisé dans une large gamme de produits commerciaux. L’équipe a découvert que lorsque le matériau est rapidement étiré, sa capacité à conduire la chaleur plus que double. Cette transition se produit en seulement 0,22 seconde, ce qui est la commutation thermique la plus rapide jamais observée dans un matériau. 

Ce matériau pourrait être utilisé pour concevoir des systèmes qui s’adaptent aux changements de température en temps réel. Par exemple, des fibres commutables pourraient être tissées dans des vêtements qui normalement retiennent la chaleur. Une fois étiré, le tissu conduirait instantanément la chaleur loin du corps pour rafraîchir la personne. Des fibres similaires peuvent être intégrées dans les ordinateurs portables et les infrastructures pour éviter la surchauffe des appareils et des bâtiments. Les chercheurs travaillent à optimiser davantage le polymère et à concevoir de nouveaux matériaux aux propriétés similaires.

« Nous avons besoin de matériaux bon marché et abondants qui peuvent s’adapter rapidement aux changements de température environnementale », explique Svetlana Boriskina, chercheuse principale au Département de génie mécanique du MIT. « Maintenant que nous avons observé cette commutation thermique, cela change la direction où nous pouvons chercher et construire de nouveaux matériaux adaptatifs. »

Chaînes élastiques

La clé de ce nouveau phénomène est que lorsque le matériau est étiré, ses structures microscopiques s’alignent de manière à permettre soudainement à la chaleur de se déplacer facilement, augmentant la conductivité thermique du matériau. À l’état non étiré, les mêmes microstructures sont enchevêtrées et agglutinées, bloquant efficacement le chemin de la chaleur. 

Il se trouve que Boriskina et ses collègues n’avaient pas pour objectif de trouver un matériau à commutation thermique. Ils cherchaient initialement des alternatives plus durables au spandex, un tissu synthétique fabriqué à partir de plastiques pétrochimiques traditionnellement difficiles à recycler. En remplacement potentiel, l’équipe étudiait des fibres fabriquées à partir d’un autre polymère connu sous le nom de polyéthylène. 

« Une fois que nous avons commencé à travailler avec ce matériau, nous avons réalisé qu’il avait d’autres propriétés plus intéressantes que le simple fait d’être élastique », souligne Boriskina. « Ce qui rend le polyéthylène unique, c’est qu’il possède ce squelette d’atomes de carbone arrangés le long d’une simple chaîne. Et le carbone est un très bon conducteur de chaleur. »

La microstructure de la plupart des matériaux polymères, y compris le polyéthylène, contient de nombreuses chaînes de carbone. Cependant, ces chaînes existent dans un enchevêtrement désordonné semblable à des spaghettis, appelé phase amorphe. Malgré le fait que le carbone soit un bon conducteur de chaleur, l’arrangement désordonné des chaînes entrave généralement le flux de chaleur. Le polyéthylène et la plupart des autres polymères ont donc généralement une faible conductivité thermique. 

Dans des travaux précédents, le professeur du MIT Gang Chen et ses collaborateurs ont trouvé des moyens de démêler l’enchevêtrement des chaînes de carbone et ont poussé le polyéthylène à passer d’un état amorphe désordonné à une phase cristalline plus alignée. Cette transition a effectivement redressé les chaînes de carbone, offrant des autoroutes claires pour que la chaleur circule et augmentant la conductivité thermique du matériau. Cependant, dans ces expériences, la commutation était permanente ; une fois que la phase du matériau changeait, elle ne pouvait pas être inversée. 

Alors que l’équipe de Boriskina explorait le polyéthylène, elle a également considéré d’autres matériaux étroitement liés, dont le copolymère séquencé oléfinique (OBC). L’OBC est principalement un matériau amorphe, constitué de chaînes très enchevêtrées d’atomes de carbone et d’hydrogène. Les scientifiques supposaient donc que l’OBC présenterait une faible conductivité thermique. Si sa conductance pouvait être augmentée, elle serait probablement permanente, comme pour le polyéthylène. 

Mais lorsque l’équipe a mené des expériences pour tester l’élasticité de l’OBC, elle a trouvé quelque chose de très différent. 

« Alors que nous étirions et relâchions le matériau, nous avons réalisé que sa conductivité thermique était vraiment élevée lorsqu’il était étiré et plus faible lorsqu’il était relâché, et ce sur des milliers de cycles », explique Duo Xu, étudiant diplômé du MIT et co-auteur de l’étude. « Cette commutation était réversible, tandis que le matériau restait principalement amorphe. C’était inattendu. »

Un enchevêtrement élastique

L’équipe a ensuite examiné de plus près l’OBC et comment il pouvait changer lorsqu’il était étiré. Les chercheurs ont utilisé une combinaison de spectroscopie par rayons X et Raman pour observer la structure microscopique du matériau alors qu’ils l’étiraient et le relâchaient à plusieurs reprises. Ils ont observé que, dans son état non étiré, le matériau se compose principalement d’enchevêtrements amorphes de chaînes de carbone, avec seulement quelques îlots de domaines cristallins ordonnés dispersés çà et là. Lorsqu’il est étiré, les domaines cristallins semblent s’aligner et les enchevêtrements amorphes se redressent, un phénomène similaire à ce qu’avait observé Gang Chen avec le polyéthylène. 

Cependant, plutôt que de passer entièrement à une phase cristalline, les enchevêtrements redressés sont restés dans leur état amorphe. De cette façon, l’équipe a découvert que les enchevêtrements pouvaient alterner, du redressé à l’agglutiné et vice-versa, au fur et à mesure que le matériau était étiré et relâché à plusieurs reprises. 

« Notre matériau est toujours dans un état majoritairement amorphe ; il ne cristallise jamais sous la contrainte », note Xu. « Cela vous laisse donc la possibilité d’alterner la conductivité thermique des milliers de fois. C’est très réversible. »

L’équipe a également constaté que cette commutation thermique se produit extrêmement rapidement : la conductivité thermique du matériau a plus que doublé en seulement 0,22 seconde après avoir été étiré. 

« La différence résultante de dissipation de la chaleur à travers ce matériau est comparable à la différence tactile entre toucher une planche à découper en plastique et un plan de travail en marbre », affirme Boriskina.

Elle et ses collègues intègrent maintenant les résultats de leurs expériences dans des modèles pour voir comment ils peuvent modifier la structure amorphe d’un matériau, afin de déclencher un changement encore plus important lors de l’étirement. 

« Nos fibres peuvent réagir rapidement pour dissiper la chaleur, pour l’électronique, les textiles et les infrastructures de construction », explique Boriskina. « Si nous pouvions améliorer davantage la commutation de leur conductivité thermique, de celle du plastique à une conductivité plus proche du diamant, cela aurait un énorme impact industriel et sociétal. » 

Article : « Strain-Tunable Thermal Conductivity in Largely Amorphous Poly-olefin Fibers via Alignment-Induced Vibrational Delocalization” – Journal : Advanced Materials – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT