弗吉尼亚理工大学田芝婷教授课题组：温敏型聚合物水溶液的热导率改变
热开关可以通过热导率的改变有效控制温度。热开关具有很多应用前景，例如太空技术、智能建筑以及能量存储系统。传统的热开关例如机械开关和一级相变开关通常体积过大、转变速率较慢。制作简便并且响应快的热开关需要热导率可以快速突变的物质。田芝婷教授团队首次利用高级相变实现了热导率快速改变。
温敏型聚合物水溶液能够在转变温度附近发生快速的二级相变，这个突变导致的热导率改变可以用来制作简便并且响应快的热开关。聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是一种在药物控释、基因送递、组织工程学以及化学传感器等方面得到广泛应用的温敏型聚合物。而对它在用来制作热开关方面的研究还未曾有过。PNIPAM聚合物的转变温度（最低临界溶解温度LCST）为32 ℃，当温度高于转变温度时，PNIPAM聚合物水溶液由均相体系转变成非均相体系。
田芝婷教授团队使用透射式瞬态热栅法测定了PNIPAM聚合物水溶液在相变前后的热导率改变。实验结果（如图1）表明当温度高于转变温度时，PNIPAM聚合物水溶液的热导率会降低。主要原因是相变后PNIPAM聚合物分子与水分子之间的界面热阻增大，导致热导率减小。另一个影响较小的可能因素是PNIPAM聚合物分子收缩后热导率减小导致总热导率减小。
图1. 不同浓度PNIPAM聚合物水溶液随温度改变的热导率折线图
图2. 不同浓度PNIPAM聚合物水溶液在相变前后的热导率改变率
如图2，浓度越高，PNIPAM聚合物水溶液的热导率改变比例越高，由于相变后溶液会变浑浊，实验使用的透射式瞬态热栅法只能测量低浓度下的热导率改变，在0.025g/mL时的热导率改变率为1.15，更高浓度的溶液将有着更高的热导率改变比例。根据已有趋势预测，在浓度达到0.4g/mL时热导率改变率可突破2.
以上成果发表在ACS Macro Letters （ACS Macro Letters 7,53-58(2018)）上。论文的共同第一作者是弗吉尼亚理工大学的博士生李晨、马韫伟，通讯作者为田芝婷教授。该课题组的网站链接：https://ztgroup.org/
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.7b00938
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