גומי גמיש עם מוליכות תרמית בדמות מתכת שהושג באמצעות הנדסת קשרי מימן

מדוע מכשירים קרירים זקוקים לחומרים רכים יותר

כשאנחנו מקיפים את עצמנו בשעונים חכמים, צמידי כושר ורובוטים רכים, בעיה עקשנית ממשיכה להופיע: חום. רכיבים אלקטרוניים דחוסים במרחב צפוף מתחממים במהירות, ואילו החומרים שנוחים למגע העור נוטים להיאחז בחום כמו שמיכה. המחקר הזה מציג סוג חדש של חומר גומי שמוביל חום כמעט כמו חלק מהמתכות ועדיין נשאר מתוח כגומי, ומצביע על אפשרות לאלקטרוניקה לבישה בטוחה ואמינה יותר.

איזון בין גמישות לזרימת חום

פלסטיקים וגומיים גמישים ברובם מצטיינים בעיקול אך חלשים בהובלת חום; המוליכות התרמית שלהם בדרך כלל נמוכה בהרבה מזו של מתכות. לעומת זאת, מתכות מוליכות חום היטב אך הן כבדות, נוקשות ולא נוחות על הגוף. במשך שנים מהנדסים ניסו לשלב חלקיקי מוליכים קשים בפולימרים רכים כדי להשיג את היתרונות משני העולמות, אך הוספת מספיק חלקיקים להעברת חום בדרך כלל מקשה ושביר את החומר. המחברים בעבודה זו מתמקדים בשבירת הוויכוח הזה כך שהחומר יכול להיות גם רך וגם מסלול יעיל להעברת חום.

מתכת נוזלית מוסתרת בתוך גומי

החוקרים בונים את החומר החדש שלהם סביב פוליאוריתן גמיש נפוץ וטיפות זעירות של סגסוגת מתכת נוזלית המבוססת על גאליום ואינדיום. מכיוון שמדובר במתכת נוזלית בטמפרטורת החדר, הטיפות יכולות להימתח ולהשתנות בתוך הגומי במקום לסדוק כמו חלקיקים מוצקים. האתגר הוא שטיפות אלה נוטות להתנהג כאיים מבודדים שאינם מתחברים מספיק ליצירת מסלולים רציפים להעברת חום. כדי לתקן זאת, הצוות משנה את פני שטח הטיפות כך שיוכלו ליצור אינטראקציה חזקה עם הפולימר הסובב, ולעודד אותן לשבת קרוב אחת לשנייה וליצור נתיבים כמעט רציפים כאשר החומר נמתח.

הכוונת חום בעזרת ווים מולקולריים בלתי נראים

בלב העיצוב עומד שליטה מדויקת בקשרי מימן, סוג של משיכת מולקולות יחסית חלשה הפועלת כמו אבזם וו-ולולו הפיך. המדענים מכוונים את הכימיה של הפוליאוריתן כך שתכיל מספר מבוקר של אתרים שיוכלו ליצור קשרים אלה. הם גם מצמידים מולקולות קטנות הנושאות קבוצות מבוססות חנקן לעור החמצני של טיפות המתכת הנוזלית. כאשר מערבבים, שרשראות הגומי ושטחי הטיפות יוצרים רשתות צפופות של קשרי מימן הן בתוך הגומי והן במעבר הגבול בין הגומי–מתכת. באמצעות טכניקות כמו ספקטרוסקופיית תת־אדום וגילוי קריסטלי של קרני רנטגן, הצוות מראה שאלו הקשרים מארגנים את שרשראות הפולימר, יוצרים מסלולים מסודרים יותר לזרימת חום ובו בזמן מהדקים את האחיזה בין הטיפות למטריצה.

מתיחה הופכת טיפות לכבישי חום

כאשר החומר, שנקרא LiMPuC, נמתח, קורה משהו מרשים ברמה המיקרוסקופית. טיפות המתכת הנוזלית נמתחות ומסתדרות לאורך כיוון המתיחה, וקשרי המימן עוזרים לשמור עליהן בקשר הדוק עם השרשראות הסובבות. סידור זה משנה טיפות מפוזרות לשרשראות דמויות פנינה המתקרבות זו לזו, ויוצר ערוצים יעילים לזרימת חום בכיוון המתיחה. מדידות באמצעות מערכת בדיקה מותאמת מראות שבתוכן מתכתי מתון של 46 אחוז בנפח, המוליכות התרמית עולה לכמעט 23.4 W m-1 K-1 במתיחה של 400 אחוז, ערך השווה לזה של חלק מהמתכות אך מושג בפס רך בגומי. חשובה מכך, החומר עדיין יכול להימתח ביותר משבעה פעמים מאורכו המקורי וכולל קשיחות גבוהה, כלומר הוא מסוגל לספוג אנרגיה ניכרת לפני שבירה.

מה זה אומר עבור מכשירים עתידיים

למשתמשים יום-יומיים, המסקנה המרכזית היא שבעתיד הקרוב ניתן יהיה ללבוש אלקטרוניקה שתישאר קרירה ונוחה גם כאשר היא כפופה, מתעוותת ונמתחת בתנועות הגוף. על ידי שימוש בקשרי מימן כווים מולקולריים מתכווננים, החוקרים יוצרים גומי שמארגן אוטומטית את רשת המתכת הנוזלית הפנימית שלו תחת מאמץ, ומגביר את הסרת החום כשולח ביותר ובמקומות שצריך. אסטרטגיה זו מציעה נוסחה כללית לבניית חומרים תרמיים גמישים ובעלי ביצועים גבוהים, עם תפקידים פוטנציאליים כמפזרי חום דמויי עור או כחיישנים רכים בלב הדור הבא של לבישים ומעגלים גמישים.

ציטוט: Liu, X., Wen, J., Xu, R. et al. Flexible rubber with metal-like thermal conductivity achieved via hydrogen bonding engineering. Nat Commun 17, 4480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71056-0

מילות מפתח: גומי מתכת נוזלית, מוליכות תרמית, אלקטרוניקה לבישה, חומרים גמישים, ניהול חום