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 聚合物材料幾乎滲透到現(xiàn)代技術(shù)的各個方面。柔性與輕質(zhì)的高分子材料是可穿戴傳感器、軟體機(jī)器人和3D打印等先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的前提。然而，聚合物材料被認(rèn)為是絕熱體，低的熱導(dǎo)率（0.2 W/m•K）阻礙了它們在電子設(shè)備、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)前，金屬和陶瓷仍然是主要的熱導(dǎo)體。正如本征型導(dǎo)電高分子的發(fā)現(xiàn)，在柔性顯示、太陽能電池和可穿戴生物傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮著了重要的應(yīng)用，本征型導(dǎo)熱高分子的發(fā)展將會在下一代電子、光電和能源設(shè)備等領(lǐng)域中開辟一系列重要應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)的無序和弱的分子間相互作用是導(dǎo)致聚合物材料低熱導(dǎo)率的主要因素。當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)的研究主要都局限在單一提高聚合物分子內(nèi)相互作用以提高聲子沿著分子鏈方向的傳輸效率，或單一提高聚合物分子間的相互作用以提高聲子在分子鏈間的傳輸效率。這些方法需要特殊的制備過程，料的熱率呈現(xiàn)各向異性，在實(shí)際應(yīng)用中難以保證穩(wěn)定性和可靠性。通過分子工程同時提高聚合物分子內(nèi)和分子間的相互作用是提高聚合物的熱導(dǎo)率長期的挑戰(zhàn)，是實(shí)現(xiàn)有效的各向同性熱傳輸性能的關(guān)鍵。

國際頂尖期刊Science Advances報(bào)道了MIT陳剛院士課題組通過自下而上的氧化化學(xué)氣相沉積（oCVD），利用沿著聚合物伸長鏈方向強(qiáng)的C=C共價鍵和分子鏈間強(qiáng)的π-π堆疊非共價鍵相互作用，首次實(shí)現(xiàn)了共軛聚合物薄膜（聚（3-己基噻吩））的高熱導(dǎo)率。同時存在的這兩種相互作用實(shí)現(xiàn)了2.2 W/m•K的室溫?zé)釋?dǎo)率，是傳統(tǒng)聚合物的10倍。采用該無溶劑的oCVD技術(shù)，可以在各種基材上生長輕質(zhì)、柔韌的聚合物薄膜導(dǎo)熱體，同時具有電絕緣性和耐腐蝕性。

圖1. oCVD合成過程、分子結(jié)構(gòu)和薄膜形態(tài)。

共軛聚合物由于具有剛性的共軛主鏈和強(qiáng)的分子間π-π堆積相互作用，具有發(fā)展為熱導(dǎo)體的潛能。金剛石（~2000 W/m•K）和拉伸聚乙烯（~104 W/m•K）中的C-C單鍵是它們具有超高熱導(dǎo)率的關(guān)鍵。與C-C單鍵相比，共軛的C=C雙鍵強(qiáng)度幾乎是它的兩倍，因此有望顯著改善聚合物鏈方向上的聲子傳輸。而且，分子鏈間的π-π堆積相互作用是范德華力的10-100倍，可以增強(qiáng)聲子在聚合物鏈間的傳輸。但傳統(tǒng)的共軛聚合物表現(xiàn)出和非共軛聚合物類似的低熱導(dǎo)率（~0.2 W/m•K）。

研究者認(rèn)為共軛聚合物分子鏈的扭曲和糾纏導(dǎo)致的強(qiáng)聲子散射是造成低熱導(dǎo)率的原因。陳剛團(tuán)隊(duì)通過oCVD法在分子水平上調(diào)控聚（3-己基噻吩）的合成過程。使用低溫的基底吸附過量的氧化劑，過量的氧化劑既可以作為聚合物鏈增長的模板，也可在鏈增長的過程中對聚合物主鏈進(jìn)行大量的氧化反應(yīng)，顯著穩(wěn)定鏈中的醌式結(jié)構(gòu)—一個帶有剛性雙鍵的共軛鏈段連接兩個噻吩環(huán)，而不是傳統(tǒng)的可旋轉(zhuǎn)單鍵。這種醌式結(jié)構(gòu)對于獲得高的熱導(dǎo)率至關(guān)重要，因?yàn)殡p鍵和伸長的共軛結(jié)構(gòu)保證了分子鏈的平面構(gòu)型。這種平面構(gòu)型的分子鏈能夠保證其通過π-π相互作用進(jìn)行多重的有序自組裝堆疊。因此，通過oCVD實(shí)現(xiàn)了同時具有剛性共軛骨架和強(qiáng)鏈間π-π相互作用的聚（3-己基噻吩）的合成，獲得了創(chuàng)記錄的室溫最高熱導(dǎo)率。

圖2. 使用TDTR法得到的熱導(dǎo)率。

Yanfei Xu和Xiaoxue Wang博士研究生是該論文的共同第一作者，Karen K. Gleason和Gang Chen教授是該論文的共同通訊作者。