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美国马萨诸塞大学阿默斯特分校科研团队近日开发出一种全新的塑料材料，在不增加重量、不牺牲强度、也不改变成型工艺的前提下显著降低了热传导能力，并呈现出阻燃特性。 研究成果通过在聚合物内部“工程化”原子振动路径，开辟了控制固体材料导热行为的新思路，有望推动一类兼具轻质、柔韧、隔热和阻燃性能的新型塑料问世。
在传统保温材料中，最常见的策略是利用空气的低导热性，通过发泡或多孔结构将大量空气“困”在材料内部，从而阻碍热量传递。 这种方案适用于泡沫保温板等产品，但若在塑料内部人为制造孔隙，往往会削弱材料机械强度、降低耐久性，并增加生产复杂度，因此在结构部件和高可靠性应用场景中存在明显局限。
马萨诸塞大学团队选择绕开“发泡”路线，转而直接干预固体内部传热的微观机制。 在固体材料中，热量主要是通过原子或分子的振动在晶格或分子链之间传递的，振动越有序、路径越畅通，热流就越容易传播。 研究负责人Yanfei Xu及其团队希望通过“振动工程”，打乱这种协调传递，让热量在材料中被迫走“弯路”。
徐艳飞将传统高导热材料中的热传输比作消防员排成整齐队列高效传递水桶：原子整齐排列，能量可以顺畅地从一端传到另一端。 而他们的新材料则更像一群四散乱跑、只端着小杯子的儿童，各自朝不同方向随机走动，传递效率大幅下降。 在这种被团队称为“慢速混乱”（slow chaos）的状态下，可用于热传导的振动通道显著减少，热流在材料内部被有效“拖慢”。
在首次实验中，研究人员将聚氨酯与一种名为 THDBT（四羟基去苯甲酮三唑，tetrahydroxy deoxybenzoin triazole）的填料结合，制备出一种致密的聚合物复合材料。 测试结果显示，相比未改性材料，这种聚合物混合物的热导率降低了约17%，同时还表现出阻燃特性。 尽管降幅目前仍属温和水平，但团队认为，这一结果验证了通过限制“热可达的振动模式密度”来调控导热的全新策略。
徐艳飞解释说，在不引入孔隙的前提下，如果能减少材料内部可供热量利用的振动通道，就有望在保持材料致密、机械柔顺、阻燃的同时抑制导热能力。 这意味着，未来的某些塑料部件或许可以在原有尺寸和结构不变的情况下，实现更出色的隔热表现。应用前景包括航天服和航天器结构件、高能效建筑材料以及需要精细热管理的电子设备封装等。
当前大多数改善塑料隔热性能的方案，要么牺牲材料强度，要么增加制造工艺的复杂性，因此在工程应用中常常需要在隔热、机械性能和加工可行性之间做艰难权衡。 这项研究展示了第三条可能道路：不去改变塑料的宏观结构，而是从原子振动层面“编程”，用分子设计来重构热流通道。 相关论文发表于《Materials Horizons》，题为《通过限制热可达振动模式抑制非多孔聚合物复合材料中的热传输》（Suppressing thermal transport in nonporous polymer hybrids by limiting thermally accessible vibrational modes）。
该工作由亨利·沃登（Henry Worden）、米希尔·钱德拉（Mihir Chandra）等多位研究者与徐艳飞共同完成，并获得美国国家科学基金会（NSF）、美国联邦航空管理局（FAA）以及马萨诸塞大学阿默斯特分校等机构资助。 科学界普遍认为，这一“慢速混乱”概念如果在更多材料体系中得到验证和放大，或将推动一整类新型高性能绝热塑料的出现，对航空航天、建筑节能以及电子器件热管理带来深远影响。
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