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  熱開關(guān)可以通過熱導率的改變有效控制溫度。熱開關(guān)具有很多應用前景，例如太空技術(shù)、智能建筑以及能量存儲系統(tǒng)。傳統(tǒng)的熱開關(guān)例如機械開關(guān)和一級相變開關(guān)通常體積過大、轉(zhuǎn)變速率較慢。制作簡便并且響應快的熱開關(guān)需要熱導率可以快速突變的物質(zhì)。田芝婷教授團隊首次利用高級相變實現(xiàn)了熱導率快速改變。

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

  田芝婷教授團隊使用透射式瞬態(tài)熱柵法測定了PNIPAM聚合物水溶液在相變前后的熱導率改變。實驗結(jié)果（如圖1）表明當溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時，PNIPAM聚合物水溶液的熱導率會降低。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，導致熱導率減小。另一個影響較小的可能因素是PNIPAM聚合物分子收縮后熱導率減小導致總熱導率減小。

圖1. 不同濃度PNIPAM聚合物水溶液隨溫度改變的熱導率折線圖

圖2. 不同濃度PNIPAM聚合物水溶液在相變前后的熱導率改變率

  如圖2，濃度越高，PNIPAM聚合物水溶液的熱導率改變比例越高，由于相變后溶液會變渾濁，實驗使用的透射式瞬態(tài)熱柵法只能測量低濃度下的熱導率改變，在0.025g/mL時的熱導率改變率為1.15，更高濃度的溶液將有著更高的熱導率改變比例。根據(jù)已有趨勢預測，在濃度達到0.4g/mL時熱導率改變率可突破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