FKMTF Indonesia

Mengontrol Konduktivitas Termal dari Polimer dengan Cahaya

Mahasiswa Teknik Fisika yang mengambil bidang keahlian Fisika Material pasti tidak asing lagi dengan Polimer. Polimer didefinisikan sebagai substansi yang terdiri dari molekul-molekul yang menyertakan rangkaian satu atau lebih dari satu unit monomer. Polimer secara teratur digunakan sebagai isolator termal untuk segala hal mulai dari menjaga minuman tetap panas hingga menjaga elektronik yang sensitif tetap dingin. Dalam beberapa kasus, polimer bahkan dapat digunakan sebagai konduktor termal untuk memungkinkan pemanasan atau pendinginan yang efisien.

Dalam sebuah studi baru, para peneliti di University of Illinois di Urbana-Champaign telah merancang dan mendemonstrasikan jenis polimer baru dengan konduktivitas termal yang dapat dialihkan serta dikendalikan oleh cahaya. Bahan ini memiliki potensi untuk membuat konduktivitas panas sesuai keinginan dan memungkinkan cara baru yang lebih cerdas untuk mengelola panas.

Temuan ini dilaporkan dalam Prosiding National Academy of Sciences.

“Polimer digunakan secara luas dalam sistem rekayasa, tetapi bahan-bahan ini hampir selalu dianggap statis secara termal. Penemuan polimer yang dapat dipicu secara optik untuk dengan cepat beralih antara keadaan konduksi termal dan isolasi akan membuka peluang yang sama sekali baru dalam rekayasa termal, ”jelas Paul Braun, profesor Materials Science and Engineering (MatSE) dan direktur Illinois Materials Research Laboratory.

“Sejauh pengetahuan kami, ini adalah pengamatan pertama dari transisi kristal-cair reversibel yang dipicu cahaya dalam bahan polimer apa pun. Temuan penting dalam penelitian ini adalah perubahan 3 kali lipat cepat dalam konduktivitas termal yang terkait dengan transisi fase, ”jelas Jungwoo Shin, seorang mahasiswa MatSE Ph.D. di Illinois.

Gambar 1. Transisi fase yang dipicu cahaya dari azopolymer. (A dan B) Trans-azopolymer (A) dan cis-azopolymer (B) struktur. (C dan D) Tampilan yang sesuai dari film trans-azopolymer (C) dan cis-azopolymer (D) di bawah OM yang dipolarisasi silang (Atas) dan OM di bawah penerangan UV dan lampu hijau yang berkelanjutan (Bawah) (Film S1). (Skala bar, 200 μm.)

Pergantian termal polimer tersebut dikembangkan oleh tim peneliti dari Illinois dan mereka mendemonstrasikan sebuah kontrol yang kuat terhadap sifat termofisika polimer sebagai respons terhadap cahaya. Kemampuan ini berasal dari molekul photo-responsive, azobenzene, yang secara optik dapat tereksitasi oleh ultraviolet (UV) dan sinar tampak.

“Kami mensintesis polimer kompleks yang difungsikan dengan gugus azobenzene yang responsif terhadap cahaya. Dengan meneranginya dengan sinar UV dan sinar tampak, kita dapat mengubah bentuk gugus azobenzene, memodulasi ikatan antar rantai dan mendorong transisi yang dapat dibalik antara kristal dan cairan, “ kata Jaeuk Sung, seorang mahasiswa MatSE Ph. D di Illinois.

Untuk menangkap transisi konduktivitas termal dari polimer azobenzene di bawah cahaya, tim peneliti Illinois menggunakan teknik yang disebut Time-Domain Thermoreflectance (TDTR) yang dikembangkan oleh David Cahill, seorang profesor MatSE di Illinois.

“Cara polimer menghantarkan panas berhubungan dengan difusi mode getaran. Khusus kristal, mode getaran ini bergerak lebih jauh dari apa yang diamati dalam cairan yang tidak teratur. Akibatnya, perubahan ekstrim dalam penyusunan polimer secara signifikan mengubah konduktivitas termal, “ kata David Cahill.

Perubahan ekstrim dalam penyusunan makromolekul ini, contoh, dari kristal ke cair, jarang terjadi di alam, dan belum pernah ada dilaporkan sebelumnya untuk sistem polimer apa pun memiliki respon terhadap cahaya. Dengan demikian, mengungkap mekanisme perubahan fase yang dipicu oleh cahaya sangat penting untuk memahami perilaku unik dari polimer.

“Kita dapat mengamati bahwa, pada paparan cahaya, bahan ini dengan cepat beralih dari satu kondisi ke kondisi lainnya dengan sifat perpindahan panas yang sangat berbeda. Kami menggunakan hamburan sinar-X berbasis synchrotron untuk menjelaskan struktur yang terkait dengan setiap keadaan selama transformasi, menutup synthesis-characterization-function loop untuk polimer canggih ini,” tambah Cecilia Leal, seorang profesor MatSE di Illinois.

“Menjaga agar perangkat listrik tetap hangat sama pentingnya dengan menjaganya tetap dingin. Bahan dengan konduktivitas termal yang dapat diatur akan memungkinkan cara untuk menjaga sistem listrik tetap aman, dapat diandalkan, dan efisien bahkan dalam kondisi ekstrim,” jelas Andrew Alleyne, direktur National Science Foundation (NSF) yang disponsori Engineering Research Center for Power Optimization of Electro-Thermal Systems (POET) yang mendukung pekerjaan ini, dan seorang profesor di bidang Teknik dan Rekayasa Mekanik di Illinois.

“Kemampuan untuk secara cepat mengganti sifat termal dari polimer dengan paparan cahaya membuka cara baru yang menarik untuk mengontrol penghantaran termal dan konversi energi pada tingkat molekuler,” tambah Nancy Sottos, seorang profesor MatSE di Illinois.

Temuan ini memberikan salah satu contoh yang istimewa tentang bagaimana cahaya dapat digunakan untuk mengontrol konduktivitas termal polimer.

Perlu adanya pemahaman dan penelitian lebih lanjut tentang hubungan antara konduktivitas termal dan penyusunan makromolekul. Dengan pemahaman dan hasil dari penelitian tersebut diharapkan dapat membantu kita untuk mendorong batas polimer tradisional.

 

Referensi:

National Academy of Sciences. 2019. Light-triggered thermal conductivity switching in azobenzene polymers:

https://www.pnas.org/content/early/2019/03/07/1817082116. Diakses pada Minggu, 17 Maret 2019.

 

Unknown. 2019. Controlling Thermal Conductivity of Polymers with Light:

https://www.scienceandtechnologyresearchnews.com/controlling-thermal-conductivity-of-polymers-with-light. Diakses pada Minggu, 17 Maret 2019.

 

 

 

Add comment