Flexibles Polymer passt seine Wärmeleitfähigkeit an

Am Massachusetts Institute of Technology MIT wurde ein flexibles Polymer untersucht, dessen Wärmeleitfähigkeit sich durch mechanische Dehnung reversibel verändern lässt. Im gedehnten Zustand leitet das Material Wärme deutlich besser, nach dem Entspannen nimmt es wieder seine ursprünglichen thermischen Eigenschaften an. Die Anpassung erfolgt ohne chemische Veränderung des Werkstoffs und ohne dauerhafte strukturelle Umformung.

Bei dem untersuchten Material handelt es sich um ein Olefin-Blockcopolymer, einen weichen Kunststoff aus der Polyolefin-Familie, der bereits in industriellen Anwendungen eingesetzt wird. Die Fähigkeit, zwischen Zuständen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit zu wechseln, eröffnet Perspektiven für Einsatzbereiche, in denen der Wärmetransport situativ angepasst werden soll, etwa in technischen Textilien, elektronischen Bauteilen oder in der Gebäudehülle.

Die Wärmeleitfähigkeit verdoppelt sich unter mechanischer Dehnung

Im entspannten Zustand weist das Olefin-Blockcopolymer eine geringe, für Kunststoffe typische Wärmeleitfähigkeit auf. Wird das Material jedoch mechanisch gedehnt, steigt seine Fähigkeit, Wärme zu transportieren, deutlich an und erreicht in den Versuchen mehr als das Doppelte des Ausgangswerts. Dieser Übergang vollzieht sich innerhalb sehr kurzer Zeit: Bereits 0,22 Sekunden nach dem Anlegen der Dehnung stellt sich der neue thermische Zustand ein, der sich nach dem Entspannen ebenso rasch wieder zurückbildet. Nach Angaben der Forschenden handelt es sich damit um die bislang schnellste beobachtete Umschaltung der Wärmeleitfähigkeit in einem Material, wobei der Effekt auch über tausendfache Belastungszyklen hinweg stabil blieb.

Die Ursache dieses Verhaltens liegt in der inneren Organisation des Polymers. Olefin-Blockcopolymere bestehen überwiegend aus amorphen Bereichen, in denen lange Ketten aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen ungeordnet, stark verschlungen und ohne feste Orientierung vorliegen, während zugleich kleinere, stärker geordnete kristalline Domänen aus denselben molekularen Bausteinen in das Material eingebettet sind. In diesem entspannten Zustand behindert die ungeordnete Anordnung der Ketten den Wärmetransport, obwohl Kohlenstoff grundsätzlich gut Wärme leiten kann. Wird das Polymer jedoch gedehnt, richten sich sowohl die kristallinen Bereiche als auch Teile der zuvor ungeordneten amorphen Ketten entlang der Zugrichtung aus, sodass die Molekülstränge gestreckt werden und zusammenhängendere Pfade für den Wärmetransport entstehen. Die Wärmeleitfähigkeit steigt dadurch deutlich an, ohne dass das Material insgesamt in einen dauerhaft kristallinen Zustand übergeht.

Die strukturelle Umordnung bleibt vollständig reversibel

Frühere Arbeiten, unter anderem zu Polyethylen, hatten bereits gezeigt, dass sich die Wärmeleitfähigkeit von Polymeren durch eine Ausrichtung der Molekülketten erheblich steigern lässt, wobei diese Umordnung stets mit einer dauerhaften strukturellen Veränderung einherging. Nach dem Übergang in einen stärker kristallinen Zustand ließ sich die ursprüngliche, niedrigere Wärmeleitfähigkeit nicht wiederherstellen. Beim untersuchten Olefin-Blockcopolymer zeigt sich hingegen ein anderes Verhalten: Obwohl sich die Ketten unter mechanischer Belastung ausrichten, verbleibt das Material überwiegend im amorphen Zustand, sodass sich die gestreckten Ketten nach dem Entspannen wieder bündeln und ungeordnet anordnen können. Gerade diese fehlende dauerhafte Kristallisation ermöglicht es, die Wärmeleitfähigkeit wiederholt zwischen zwei Zuständen zu wechseln.

Die Entdeckung dieses Effekts war nicht das ursprüngliche Ziel der Arbeiten. Das Forschungsteam befasste sich zunächst mit der Suche nach Alternativen zu Spandex, einem erdölbasierten Elastomer, das nur schwer recycelbar ist, und untersuchte in diesem Zusammenhang elastische Fasern aus Polyethylen und verwandten Polymeren. Da Olefin-Blockcopolymere als überwiegend amorph gelten und deshalb üblicherweise eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, war eine derart ausgeprägte und zugleich reversible Veränderung dieser Eigenschaft nicht erwartet worden. Erst bei mechanischen Tests zur Elastizität zeigte sich, dass sich die Wärmeleitfähigkeit während der Dehnung deutlich erhöhte und nach der Entlastung wieder abnahm.

Zur genaueren Analyse dieses Verhaltens untersuchten die Forschenden die innere Struktur des Materials während wiederholter Dehn- und Entspannungszyklen mithilfe von Röntgen- und Raman-Spektroskopie. Die Messungen zeigten, dass die Polymerketten ihre Orientierung unter Belastung verändern und anschließend wieder in einen ungeordneten Zustand zurückkehren, wobei die Wärmeleitfähigkeit dieser strukturellen Umordnung unmittelbar folgt. Trotz der wiederholten mechanischen Beanspruchung blieben die elastischen Eigenschaften des Materials erhalten, und der schaltbare Effekt ließ sich über tausende Zyklen hinweg reproduzieren.

Das Polymer eignet sich für Materialien mit anpassbarem Wärmetransport

Die Kombination aus schneller Reaktion, vollständiger Reversibilität und rein mechanischer Auslösung macht das untersuchte Polymer für adaptive Anwendungen interessant, bei denen Materialien ihre thermischen Eigenschaften nicht dauerhaft, sondern abhängig vom jeweiligen Zustand verändern sollen. Denkbar sind etwa Textilien, die im entspannten Zustand wärmeisolierend wirken und bei Dehnung Wärme effizienter ableiten, ebenso wie Bauteile in elektronischen Geräten, bei denen Wärme situativ abgeführt werden soll, wenn mechanische Belastung oder erhöhte Temperaturen auftreten. Auch im Bauwesen sehen die Forschenden Potenzial für Materialien, die sich an wechselnde thermische Bedingungen anpassen. Der Unterschied zwischen den beiden Zuständen der Wärmeleitfähigkeit ist dabei so ausgeprägt, dass er auch haptisch wahrnehmbar ist und dem Temperatureindruck beim Berühren von Kunststoff im Vergleich zu Stein entspricht.

Parallel dazu arbeitet das Team daran, die beobachteten Effekte systematisch zu modellieren und gezielt weiterzuentwickeln. Ziel ist es, die amorphe Struktur des Polymers so zu beeinflussen, dass sich der Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit weiter vergrößert und auf dieser Grundlage weitere Materialien mit ähnlichen, schaltbaren Eigenschaften entstehen können.

Originalpublikation: Strain-Tunable Thermal Conductivity in Largely Amorphous Polyolefin Fibers via Alignment-Induced Vibrational Delocalization. Duo Xu, Buxuan Li, You Lyu, Vivian J. Santamaria-Garcia, Yuan Zhu, Svetlana V. Boriskina. IN: Advanced Materials, 09 Februar 2026. https://doi.org/10.1002/adma.202520371

Open-access Paper: “Strain-Tunable Thermal Conductivity in Largely Amorphous Poly-olefin Fibers via Alignment-Induced Vibrational Delocalization”