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  熱開關(guān)可以通過(guò)熱導(dǎo)率的改變有效控制溫度。熱開關(guān)具有很多應(yīng)用前景，例如太空技術(shù)、智能建筑以及能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的熱開關(guān)例如機(jī)械開關(guān)和一級(jí)相變開關(guān)通常體積過(guò)大、轉(zhuǎn)變速率較慢。制作簡(jiǎn)便并且響應(yīng)快的熱開關(guān)需要熱導(dǎo)率可以快速突變的物質(zhì)。田芝婷教授團(tuán)隊(duì)首次利用高級(jí)相變實(shí)現(xiàn)了熱導(dǎo)率快速改變。

  溫敏型聚合物水溶液能夠在轉(zhuǎn)變溫度附近發(fā)生快速的二級(jí)相變，這個(gè)突變導(dǎo)致的熱導(dǎo)率改變可以用來(lái)制作簡(jiǎn)便并且響應(yīng)快的熱開關(guān)。聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)是一種在藥物控釋、基因送遞、組織工程學(xué)以及化學(xué)傳感器等方面得到廣泛應(yīng)用的溫敏型聚合物。而對(duì)它在用來(lái)制作熱開關(guān)方面的研究還未曾有過(guò)。PNIPAM聚合物的轉(zhuǎn)變溫度（最低臨界溶解溫度LCST）為32 ℃，當(dāng)溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，PNIPAM聚合物水溶液由均相體系轉(zhuǎn)變成非均相體系。

  田芝婷教授團(tuán)隊(duì)使用透射式瞬態(tài)熱柵法測(cè)定了PNIPAM聚合物水溶液在相變前后的熱導(dǎo)率改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（如圖1）表明當(dāng)溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，PNIPAM聚合物水溶液的熱導(dǎo)率會(huì)降低。主要原因是相變后PNIPAM聚合物分子與水分子之間的界面熱阻增大，導(dǎo)致熱導(dǎo)率減小。另一個(gè)影響較小的可能因素是PNIPAM聚合物分子收縮后熱導(dǎo)率減小導(dǎo)致總熱導(dǎo)率減小。

圖1. 不同濃度PNIPAM聚合物水溶液隨溫度改變的熱導(dǎo)率折線圖

圖2. 不同濃度PNIPAM聚合物水溶液在相變前后的熱導(dǎo)率改變率

  如圖2，濃度越高，PNIPAM聚合物水溶液的熱導(dǎo)率改變比例越高，由于相變后溶液會(huì)變渾濁，實(shí)驗(yàn)使用的透射式瞬態(tài)熱柵法只能測(cè)量低濃度下的熱導(dǎo)率改變，在0.025g/mL時(shí)的熱導(dǎo)率改變率為1.15，更高濃度的溶液將有著更高的熱導(dǎo)率改變比例。根據(jù)已有趨勢(shì)預(yù)測(cè)，在濃度達(dá)到0.4g/mL時(shí)熱導(dǎo)率改變率可突破2. 

  以上成果發(fā)表在ACS Macro Letters （ACS Macro Letters 7,53-58(2018)）上。論文的共同第一作者是弗吉尼亞理工大學(xué)的博士生李晨、馬韞偉，通訊作者為田芝婷教授。該課題組的網(wǎng)站鏈接：https://ztgroup.org/

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.7b00938