マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究チームは、熱伝導性の高いプラスチックを開発したと発表した。通常の高分子材料と比べて熱伝導性が10倍以上高いという。ノートPCやスマートフォンの筐体などにも応用できる可能性がある。研究論文は、米国科学誌「Science Advances」に掲載された。
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材料中の全方向に対して熱をよく伝えるプラスチックを開発した (出所:MIT)
高分子材料はもともと電気的にも熱的にも絶縁体であるが、電気を通す導電性高分子材料が開発されてからは、フレキシブルディスプレイやウェアラブルデバイスなどの分野に応用が広がっている。そこで電気伝導性だけでなく、熱伝導性を備えた高分子材料を実現することで新たな応用分野を開拓しようというのが今回の研究のねらいである。
高分子(ポリマー)を顕微鏡で拡大して観察すると、分子ユニットである単量体(モノマー)同士が端部でつながった長いチェーン状の構造をしていることがわかる。このチェーンはスパゲッティの麺のように乱雑に絡まっているため、熱のキャリアは構造中を移動することが難しく、また結び目でトラップされやすくなる。これが高分子材料が熱を伝えにくいことの理由であるといえる。
高分子材料に熱伝導性をもたせる研究はこれまでにも行われてきており、2010年には高分子が乱雑に絡まった標準的なポリエチレン試料から、チェーンが直線状に揃った「超延伸ナノファイバー」と呼ばれる構造を作りだした例がある。この超延伸ナノファイバーは通常のプラスチックと比べて熱伝導性が300倍向上したと報告されている。
ただし、このときの超延伸ナノファイバーは、チェーンが伸びている方向だけにしか熱を伝導しないという性質があった。複数のポリマーチェーンの間では熱が伝わらないため、材料中の全方向に熱が拡散していくものではなかった。そこで今回の研究では、材料中のどの方向にも熱を伝導する高分子材料の開発をめざした。
具体的には、導電性ポリマーとして電子デバイスでよく使われる、共役系高分子のポリチオフェンを用いて、酸化CVD法によってシリコン/ガラス基板上に硬くて動きにくい高分子チェーンの薄膜を形成した。チャンバ内に酸化剤および気体の状態のモノマーを導入して基板上で反応させ、CVD法の自己テンプレート成長の仕組みを利用することで、面積2cm2程度と比較的大きな薄膜を得ることができるという。
この方法で得た薄膜の熱伝導性を、試料の表面にレーザーを当てて加熱し、その後の表面温度の減衰から熱伝導度を計算する「時間ドメイン熱反射率」と呼ばれる手法を使って評価した。その結果、今回の試料は、従来の高分子材料に比べて約10倍の熱伝導率(2.2W・m-1・k-1)を示したという。
アルゴンヌ国立研究所で行った観察からは、同試料はほぼ等方的な構造をもっていることがわかっている。このことからも試料の熱伝導率は材料中で方向によって変わることなく全方向でほぼ等方的であることが示唆される。
