Polymerfilm beskytter mod elektromagnetisk stråling, signalinterferens

Da elektroniske enheder mætter alle hjørner af det offentlige og personlige liv, ingeniører kæmper for at finde letvægts, mekanisk stabil, fleksibel, og let fremstillede materialer, der kan skærme mennesker mod overdreven elektromagnetisk stråling samt forhindre elektroniske enheder i at forstyrre hinanden.

I en gennembrudsrapport offentliggjort i Avancerede materialer —det bedste tidsskrift på området—ingeniører ved University of California, Riverside beskriver en fleksibel film ved hjælp af et kvasi-endimensionelt nanomaterialefyldstof, der kombinerer fremragende elektromagnetisk afskærmning med nem fremstilling.

"Disse nye film er lovende for højfrekvente kommunikationsteknologier, som kræver elektromagnetiske interferensafskærmningsfilm, der er fleksible, letvægts, rustfri, billig, og elektrisk isolerende, " sagde seniorforfatter Alexander A. Balandin, en fremtrædende professor i elektro- og computerteknik ved UC Riversides Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering. "De kobler sig stærkt til højfrekvent radiofrekvent stråling, mens de forbliver elektrisk isolerende i jævnstrømsmålinger."

Elektromagnetisk interferens, eller EMI, opstår, når signaler fra forskellige elektroniske enheder krydser hinanden, påvirker ydeevnen. Signalet fra en mobiltelefon eller bærbar WiFi, eller endda en køkkenblender, kan forårsage statisk elektricitet på en tv-skærm, for eksempel. Ligeledes, flyselskaber instruerer passagerer om at slukke for mobiltelefoner under landing og start, fordi deres signaler kan forstyrre navigationssignaler.

Ingeniører har for længe siden lært, at enhver elektrisk enhed muligvis kunne påvirke funktionen af ​​en nærliggende enhed og udviklede materialer til at beskytte elektronik mod forstyrrende signaler. Men nu hvor elektroniske enheder er blevet allestedsnærværende, lille, trådløst forbundet, og afgørende for utallige væsentlige tjenester, mulighederne for og risikoen for EMI-forårsagede funktionsfejl er vokset, og konventionelle EMI-afskærmningsmaterialer er ofte utilstrækkelige. Flere elektroniske enheder betyder, at mennesker også udsættes for større elektromagnetisk stråling end tidligere. Nye afskærmningsmaterialer vil være nødvendige for den næste generation af elektronik.

Balandin ledede et team, der udviklede den skalerbare syntese af kompositter med usædvanlige fyldstoffer - kemisk eksfolierede bundter af kvasi-endimensionelle van der Waals-materialer. Kompositmaterialerne demonstrerede exceptionelle EMI-afskærmningsmaterialer i gigahertz- og sub-terahertz-frekvensområderne, vigtig for nuværende og fremtidige kommunikationsteknologier, mens den forbliver elektrisk isolerende.

Grafen er det mest berømte van der Waals materiale. Det er todimensionelt, fordi det er et plan af stærkt bundne atomer. Mange planer af grafen, svagt koblet af van der Waals styrker, udgør en bulk grafitkrystal. I mange år, forskning var specifikt fokuseret på todimensionelle lagdelte van der Waals materialer, som eksfolierer til atomplaner.

Endimensionelle van der Waals materialer består af stærkt bundne atomkæder, snarere end fly, som er svagt bundet af van der Waals kræfter. Sådanne materialer eksfolierer til nålelignende "endimensionelle" strukturer snarere end todimensionelle planer. Balandin-gruppen udførte banebrydende undersøgelser af endimensionelle metaller, der demonstrerede deres usædvanlige egenskaber. I det nye blad, Balandin-gruppen rapporterer at bruge en kemisk proces, der kunne skaleres op til masseproduktion af disse endimensionelle materialer.

Doktorand Zahra Barani og Fariboz Kargar, en forskningsprofessor og projektforsker med Balandins Phonon Optimized Engineered Materials, eller POEM Center, syntetiserede de unikke kompositter ved at behandle overgangsmetallet trichalcogenider, eller TaSe ₃ , et lagdelt van der Waals-materiale med en kvasi-endimensionel krystalstruktur, med kemikalier, der fik det til at falde af nåle-lignende, kvasi-1D van der Waals nanotråde med ekstremt store billedformater på op til ~106 — massivt længere end tykke. I tidligere forskning, gruppen opdagede, at bundter af kvasi-1D TaSe ₃ atomare tråde kan understøtte høje strømtætheder.

"Der var ingen standardopskrift på eksfoliering af disse materialer. Jeg lavede mange trial and error eksperimenter, mens du tjekker spaltningsenergien og andre vigtige parametre for at eksfoliere dem med højt udbytte. Jeg vidste, at nøglen er at få bundter med så højt billedformat, som jeg kan, da EM-bølger parrer sig med længere og tyndere tråde bedre. Det krævede optisk mikroskopi og scanningselektronmikroskopi karakterisering efter hvert eksfolieringstrin, " sagde førsteforfatter Barani.

Forskerne fyldte en matrix lavet af en speciel polymer med bundter af den eksfolierede TaSe ₃ at fremstille en tynd, sort film. De syntetiserede kompositfilm, mens de forbliver elektrisk isolerende, demonstreret enestående ydeevne til at blokere elektromagnetiske bølger. Polymerkompositterne med lav belastning af fyldstofferne var særligt effektive.

"Den elektromagnetiske afskærmningseffektivitet af kompositter er korreleret med billedformatet af fyldstofferne. Jo højere billedformat, jo lavere fyldstofkoncentration er nødvendig for at give betydelig EM-afskærmning, " sagde Kargar. "Dette er gavnligt, da man ved at sænke fyldstofindholdet ville drage fordel af polymerers iboende egenskaber såsom let vægt og fleksibilitet. I denne forbindelse Jeg kan sige, at denne klasse af materialer er enestående, når de først er eksfolieret ordentligt, kontrollerer tykkelsen og længden."

"Til sidst, Jeg fik dem rigtigt, fremstillet en komposit og målt EMI egenskaberne. Resultaterne var forbløffende:ingen elektrisk ledningsevne, men mere end 99,99 % af EMI-afskærmningen for mikrometer tykke film, " tilføjede Barani.

De kvasi-1D van der Waals metalliske fyldstoffer kan fremstilles billigt og i store mængder. Balandin sagde, at forskning i atombundter af kvasi-1D van der Waals materialer som individuelle ledere, og kompositter med sådanne materialer er lige begyndt.

"Jeg er sikker på, at vi snart vil se en masse fremskridt med kvasi-1D van der Waals materialer, som det skete med kvasi-2-D materialer, " han sagde.