แปลและเรียบเรียง โดย อรวรรณ สัมฤทธิ์เดชขจร
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

นักวิจัยจาก MIT และ Argonne National Laboratory พลิกโฉมโพลิเมอร์ที่จากเดิมมีสมบัติเป็นฉนวนความร้อนให้กลายเป็นโพลิเมอร์นำความร้อนที่ดีกว่าเซรามิก หรือโลหะหลายชนิดรวมถึงเหล็กกล้า โพลิเมอร์นำความร้อนนี้มีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่น สามารถใช้แทนโลหะที่ใช้เป็นตัวระบายความร้อน (heat dissipator) ในรถยนต์ ตู้เย็น หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้

ภาพจาก https://news.mit.edu/2019/metal-like-polymer-films-conduct-heat-0430

เครื่องจักรและชิ้นส่วนต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นของรถยนต์ ตู้เย็น และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของไมโครโพรเซสเซอร์ มักมีความร้อนเกิดขึ้นในระหว่างทำงาน ความร้อนเหล่านี้จะถูกกำจัดออกไปด้วยตัวระบายความร้อนที่เป็นโลหะ ซึ่งตัวระบายความร้อนโลหะนี้เองมีส่วนทำให้น้ำหนักและขนาดของเครื่องจักรเพิ่มมากขึ้น

ทีมวิจัยจาก MIT และ Argonne National Laboratory ได้ค้นพบวิธีเปลี่ยนโพลิเอทิลีนที่ปกติเป็นฉนวนความร้อนให้กลายเป็นตัวนำความร้อน หากนำมาใช้แทนโลหะก็จะช่วยให้เครื่องจักรและชิ้นส่วนมีน้ำหนักเบาขึ้นและยืดหยุ่นมากขึ้น จากงานวิจัยในปี 2010 ที่พัฒนาเส้นใยโพลิเอทิลีนที่นำความร้อนได้มากกว่า 300 เท่าเมื่อเทียบกับโพลิเอทิลีนทั่วไป จึงเป็นที่สนใจของวงการอุตสาหกรรม เช่น ผู้ผลิตอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน คอมพิวเตอร์และตัวประมวลผล หรือแม้กระทั่งรถแข่ง แต่ยังมีข้อจำกัดที่ไม่สามารถนำเส้นใยบางมาก (ประมาณ 1/100 ของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผม) มาใช้ประโยชน์ได้ อีกทั้งในตอนนั้นกระบวนการทำให้เป็นแผ่นก็ยากลำบากมาก

ทีมวิจัยไม่เพียงคิดค้นกระบวนการทำแผ่นฟิล์ม แต่ยังสร้างเครื่องมือสำหรับทดสอบการนำความร้อน และเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์สำหรับวิเคราะห์ภาพโครงสร้างจุลภาคของวัสดุด้วย ในที่สุดทีมวิจัยก็สามารถผลิตฟิล์มบางของโพลิเมอร์นำความร้อนได้จากผงโพลิเอทิลีนที่มีจำหน่ายเชิงพาณิชย์ โดยปกติ โพลิเอทิลีนและโพลิเมอร์ส่วนใหญ่มักมีสายโซ่โมเลกุลคล้ายกับเส้นสปาเกตตีที่พันกันยุ่งเหยิง ซึ่งความร้อนไหลผ่านได้ยากทำให้โพลิเมอร์มีสมบัติเป็นฉนวน

ทีมวิจัยคิดค้นวิธีลดความยุ่งเหยิงของโมเลกุลโดยทำให้สายโซ่โมเลกุลเรียงตัวขนานกันไปเพื่อให้มีสมบัตินำความร้อนที่ดีขึ้น พวกเขาละลายผงโพลิเอทิลีนในตัวทำละลายเดคาลิน (Decalin) ที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวของโพลิเอทิลีน จากนั้นอัดรีดสารละลายโพลิเอทิลีนที่ได้บนแผ่นที่ถูกทำให้เย็นด้วยไนโตรเจนเพื่อแยกเอาตัวทำละลายออกไปก็จะได้ฟิล์มหนา ขั้นตอนต่อไปนำฟิล์มหนาเข้าเครื่องดึงที่ให้ความร้อนและยืดให้ได้ฟิล์มที่บางกว่าพลาสติกคลุมอาหาร และเมื่อนำไปทดสอบค่าการนำความร้อนพบว่า โพลิเมอร์ชนิดใหม่นี้มีค่าการนำความร้อนประมาณ 60 วัตต์/เมตร/เคลวิน ขณะที่โพลิเมอร์ทั่วไปมีค่าประมาณ 0.1-0.5 วัตต์/เมตร/เคลวิน ส่วนเพชรนำความร้อนได้ดีที่สุดมีค่า 2000 วัตต์/เมตร/เคลวิน เซรามิก 30 วัตต์/เมตร/เคลวิน และเหล็กกล้า 15 วัตต์/เมตร/เคลวิน และเมื่อวิเคราะห์โครงสร้างด้วยการกระเจิงรังสีเอกซ์ (x-ray scattering) พบว่าในฟิล์มประกอบด้วยเส้นใยนาโนแบบขดกระจายตัวอยู่ในปริมาณน้อยจึงนำความร้อนได้ดี

ก้าวต่อไป ทีมวิจัยจะพัฒนาวิธีที่ทำให้ได้โพลิเมอร์นำความร้อนที่ดีขึ้น โดยปรับเปลี่ยนกระบวนการ รวมถึงเปลี่ยนชนิดของโพลิเมอร์ เนื่องจากฟิล์มโพลิเมอร์ที่พัฒนาขึ้นนี้นำความร้อนได้เฉพาะตามแนวยาวของเส้นใยเพียงทิศเดียว ในอุดมคติถ้าหากฟิล์มโพลิเมอร์นำความร้อนได้ทุกทิศทางก็จะเป็นประโยชน์มากกว่า เพราะสามารถนำไปผสมในคอมโพสิตได้อย่างง่ายดาย อีกทั้งมีศักยภาพที่จะใช้ทดแทนวัสดุถ่ายโอนความร้อนอื่นๆ ได้อีกจำนวนมาก  

สนใจอ่านข้อมูลเพิ่มเติมที่

  • https://news.mit.edu/2019/metal-like-polymer-films-conduct-heat-0430
  • https://www.theengineer.co.uk/polymer-films-heat-conduction/
Scroll Up