[논문 리뷰] Dimensional crossover of heat conduction in amorphous Polyimide nanofibers

Lan Dong, Qing Xi외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 26.

Thermal properties of materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고정 온도에서 비정질 폴리이미드(PI) 나노섬유에서 열전도도의 차원적 교차—3차원(3D)에서 준일차원(1D) 행동으로의 전이—를 규명한다. 무작위 보행 기반 이론 모델은 체인 내 및 체인 간 이동 간의 상호작용을 정량적으로 설명하며, 나노섬유의 지름에 따른 열전도도를 성공적으로 예측하고 비정질 폴리머에서 준1차원 영역에서의 열전도도 상한을 추정한다.

ABSTRACT

The mechanism of thermal conductivity in amorphous polymers, especially polymer fibers, is unclear in comparison with that in inorganic materials. Here, we report the observation of across over of heat conduction behavior from three dimensions (3D) to quasi-one dimension (1D) in Polyimide(PI) nanofibers at a given temperature. A theoretical model based on the random walk theory has been proposed to quantitatively describe the interplay between the inter-chain hopping and the intra-chain hopping in nanofibers. This model explains well the diameter dependence of thermal conductivity and also speculates the upper limit of thermal conductivity of amorphous polymers in the quasi-1D limit.

연구 동기 및 목표

• 비정질 폴리머 나노섬유에서의 열전도 메커니즘을 이해하기 위해, 이는 무기 물질에 비해 아직 잘 이해되지 않은 바이다.
• 나노섬유의 지름이 감소함에 따라 열전도 거동이 3D에서 준1D로 전이되는 방식을 조사하기 위해.
• 불규칙한 폴리머 시스템에서 체인 내 및 체인 간 포논 이동 간의 상호작용을 포괄하는 이론 모델을 개발하기 위해.
• PI 나노섬유에서 관측된 지름 의존성 열전도도를 정량적으로 설명하기 위해.
• 비정질 폴리머에서 준일차원 구속 조건 하에서의 열전도도 이론적 상한을 추정하기 위해.

제안 방법

• 무작위 보행 이론에 기반한 이론 모델을 개발하여 비정질 PI 나노섬유에서의 포논 운반을 기술한다.
• 모델은 고분자 체인을 따라의 체인 내 이동과 체인 간 이동을 별개의 열전도 경로로 구분한다.
• 체인 내 및 체인 간 이동 간의 상호작용을 수학적으로 기술하여 나노섬유의 지름에 따른 효과적 열전도도를 예측한다.
• 모델은 나노섬유 지름에 따른 열전도도 변화에 대한 실험 관측치와 캘리브레이션 및 검증을 거친다.
• 모델은 비정질 폴리머에서 준1차원 영역에서의 열전도도 이론적 상한을 예측하도록 확장된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노섬유의 지름이 감소함에 따라 비정질 PI 나노섬유에서 열전도의 차원성이 어떻게 변화하는가?
• RQ2 불규칙한 폴리머 나노섬유에서 열전도도에 기여하는 체인 내 이동과 체인 간 이동의 상대적 기여는 무엇인가?
• RQ3 무작위 보행 기반 모델이 비정질 폴리머 나노섬유에서의 지름 의존성 열전도도를 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ4 준일차원 구속 조건 하에서 비정질 폴리머에서 달성 가능한 열전도도의 이론적 상한은 무엇인가?
• RQ5 3D에서 준1D 거동으로의 전이가 비정질 폴리머의 열전도 성질에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 고정 온도에서 나노섬유의 지름이 감소함에 따라 비정질 폴리이미드 나노섬유에서 3D에서 준1D 열전도도로의 명확한 차원 전이가 관측된다.
• 제안된 무작위 보행 기반 모델은 PI 나노섬유에서 실험적으로 관측된 지름 의존성 열전도도를 성공적으로 설명한다.
• 모델은 체인 간 이동이 특히 좁은 나노섬유에서 열전도에 지배적인 요소이지만 제한 요소임을 규명한다.
• 모델은 비정질 폴리머에서 준1차원 조건 하에서 열전도도가 상한에 접근함을 예측하며, 이는 불규칙한 시스템에서 열전도에 대한 기본적 제약를 시사한다.
• 이론적 프레임워크는 비정질 폴리머 나노구조에서 열전도를 이해하고 설계하는 데 정량적 기반을 제공한다.