Et nyt MXene-materiale viser ekstraordinær elektromagnetisk interferensafskærmningsevne

Efterhånden som vi byder trådløs teknologi velkommen til flere områder af livet, den ekstra elektroniske travlhed skaber et elektromagnetisk støjende kvarter. I håb om at begrænse den ekstra trafik, forskere ved Drexel University har testet todimensionelle materialer kendt for deres interferensblokerende evner. Deres seneste opdagelse, rapporteret i journalen Videnskab , er af den exceptionelle afskærmningsevne af et nyt todimensionelt materiale, der kan absorbere elektromagnetisk interferens i stedet for blot at afbøje sig tilbage i kampen.

Materialet, kaldet titaniumcarbonitrid, er en del af en familie af todimensionale materialer, kaldet MXenes, som først blev produceret hos Drexel i 2011. Forskere har afsløret, at disse materialer har en række exceptionelle egenskaber, inklusive imponerende styrke, høj elektrisk ledningsevne og molekylære filtreringsevner. Titaniumcarbonitrids enestående egenskab er, at det kan blokere og absorbere elektromagnetisk interferens mere effektivt end noget kendt materiale, inklusive de metalfolier, der i øjeblikket bruges i de fleste elektroniske enheder.

"Denne opdagelse bryder alle de barrierer, der eksisterede i det elektromagnetiske afskærmningsfelt. Den afslører ikke kun et afskærmningsmateriale, der virker bedre end kobber, men det viser også en spændende, ny fysik dukker op, som vi ser diskrete todimensionelle materialer interagere med elektromagnetisk stråling på en anden måde end bulkmetaller, " sagde Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University og Bach professor i Drexel's College of Engineering, der ledede forskningsgruppen, der gjorde denne MXene-opdagelse, som også omfattede videnskabsmænd fra Korea Institute of Science and Technology, og studerende fra Drexels samarbejdspartnerskab med instituttet.

Mens elektromagnetisk interferens - "EMI" for ingeniører og teknologer - kun bemærkes sjældent af teknologibrugere, sandsynligvis som en summende lyd fra en mikrofon eller højttaler, det er en konstant bekymring for ingeniørerne, der designer det. De ting, som EMI forstyrrer, er andre elektriske komponenter, såsom antenner og kredsløb. Det reducerer den elektriske ydeevne, kan sænke dataudvekslingshastigheder og kan endda afbryde enhedernes funktion.

Elektronikdesignere og ingeniører har en tendens til at bruge afskærmningsmaterialer til at indeholde og aflede EMI i enheder, enten ved at dække hele printpladen med et kobberbur, eller, for nylig ved at pakke individuelle komponenter ind i folieafskærmning. Men begge disse strategier tilføjer bulk og vægt til enhederne.

Gogotsis gruppe opdagede, at dets MXene -materialer, som er meget tyndere og lettere end kobber, kan være ganske effektiv ved EMI -afskærmning. Deres resultater, rapporteret i Science for fire år siden, angav, at en MXene kaldet titaniumcarbid viste potentialet til at være lige så effektivt som de branchestandardmaterialer på det tidspunkt, og det kunne nemt påføres som belægning. Denne forskning blev hurtigt en af ​​de mest virkningsfulde opdagelser på området og inspirerede andre forskere til at se på andre materialer til EMI-afskærmning.

Men da Drexel- og KIST-holdene fortsatte med at inspicere andre medlemmer af familien for denne ansøgning, de afdækkede de unikke kvaliteter af titaniumcarbonitrid, der gør det til en endnu mere lovende kandidat til EMI -afskærmningsapplikationer.

"Titaniumcarbonitrid har en meget lignende struktur sammenlignet med titaniumcarbid - de er faktisk identiske bortset fra, at de erstatter halvdelen af ​​dets carbonatomer med nitrogenatomer - men titaniumcarbonitrid er omkring en størrelsesorden mindre ledende, " sagde Kanit Hantanasirisakul, en ph.d.-kandidat i Drexels afdeling for materialevidenskab og teknik. "Så vi ønskede at få en grundlæggende forståelse af virkningerne af ledningsevne og elementær sammensætning på EMI-afskærmning."

Gennem en række tests, gruppen gjorde en overraskende opdagelse. Nemlig at en film af titaniumcarbonitrid-materialet - mange gange tyndere end tykkelsen af ​​et hårstrå - faktisk kunne blokere EMI-interferens omkring 3-5 gange mere effektivt end en tilsvarende tykkelse af kobberfolie, som typisk bruges i elektroniske enheder.

"Det er vigtigt at bemærke, at vi oprindeligt ikke forventede, at titaniumcarbonitrid MXene ville være bedre sammenlignet med den mest ledende af alle kendte MXener:titaniumcarbid, "Sagde Hantanasirisakul." Vi troede først, at der kunne være noget galt med målingerne eller beregningerne. Så, vi gentog eksperimenter igen og igen for at sikre, at vi gjorde alt korrekt, og at værdierne var reproducerbare."

Måske vigtigere end holdets opdagelse af materialets afskærmningsevne er deres nye forståelse af den måde, det fungerer på. De fleste EMI-afskærmningsmaterialer forhindrer simpelthen indtrængning af de elektromagnetiske bølger ved at reflektere dem væk. Selvom dette er effektivt til at beskytte komponenter, det afhjælper ikke det overordnede problem med EMI-udbredelse i miljøet. Gogotsis gruppe fandt ud af, at titaniumcarbonitrid faktisk blokerer EMI ved at absorbere de elektromagnetiske bølger.

"Dette er en meget mere bæredygtig måde at håndtere elektromagnetisk forurening på end blot at reflektere bølger, der stadig kan beskadige andre enheder, der ikke er afskærmet, "Sagde Hantanasirisakul." Vi fandt ud af, at de fleste bølger absorberes af de lagdelte carbonitrid MXene -film. Det er ligesom forskellen mellem at sparke affald af vejen eller samle det op - dette er i sidste ende en meget bedre løsning."

Dette betyder også, at titaniumcarbonitrid kan bruges til individuelt at belægge komponenter inde i en enhed for at indeholde deres EMI, selv mens de placeres tæt sammen. Virksomheder som Apple har prøvet denne indeslutningsstrategi i flere år, men med succes begrænset af kobberfoliens tykkelse. Da enhedsdesignere stræber efter at gøre dem allestedsnærværende ved at gøre dem mindre, mindre mærkbar og mere integreret, denne strategi vil sandsynligvis blive den nye norm.

Forskerne formoder, at titaniumcarbonitrids unikke karakter skyldes dets lagdelte, porøs struktur, som tillader EMI delvist at trænge ind i materialet, og dens kemiske sammensætning, som fanger og spreder EMI. Denne kombination af egenskaber dukker op i materialet, når det opvarmes i et sidste dannelsestrin, kaldet udglødning.

"Det var et kontraintuitivt fund. EMI-afskærmningseffektiviteten øges typisk med elektrisk ledningsevne. Vi vidste, at varmebehandling kan øge ledningsevnen, så vi prøvede det med titaniumcarbonitrid for at se, om det ville forbedre dets afskærmningsevne. Det, vi opdagede, er, at det kun forbedrede sin ledningsevne marginalt, men øgede dens afskærmningseffektivitet markant, " sagde Gogotsi. "Dette arbejde motiverer os, og skal motivere andre i feltet, at se på egenskaber og anvendelser af andre MXenes, da de kan vise endnu bedre ydeevne på trods af at de er mindre elektrisk ledende."

Drexel-teamet har udvidet sit omfang og har allerede undersøgt EMI-afskærmningsegenskaber for 16 forskellige MXene-materialer - omkring halvdelen af ​​alle MXene produceret i deres laboratorium. Det planlægger at fortsætte sin undersøgelse af titaniumcarbonitrid for bedre at forstå dets unikke elektromagnetiske adfærd, i håb om at forudsige skjulte evner i andre materialer.