Indeholder vores elektromagnetiske forurening:MXene kan beskytte mobile enheder mod elektromagnetisk interferens

Hvis du nogensinde har hørt din motoromdrejning gennem din radio, mens du lytter til en AM-station i din bil, eller fik dit fjernsyn til at lave en summende lyd, når din mobiltelefon er i nærheden af ​​det, så har du oplevet elektromagnetisk interferens. Dette fænomen, forårsaget af radiobølger, kan stamme fra alt, der skaber, bærer eller bruger elektrisk strøm, herunder tv og internetkabler, og, selvfølgelig mobiltelefoner og computere. En gruppe forskere ved Drexel University og Korea Institute of Science &Technology arbejder på at rense denne elektromagnetiske forurening ved at begrænse emissionerne med en tynd belægning af et nanomateriale kaldet MXene.

Elektromagnetisk stråling er overalt - det har været tilfældet siden universets begyndelse. Men udbredelsen af ​​elektronik i de seneste årtier har bidraget både til mængden af ​​stråling, der genereres på vores planet, og dens mærkbarhed.

"Efterhånden som teknologien udvikler sig, og elektronikken bliver lettere, hurtigere og mindre, deres elektromagnetiske interferens stiger dramatisk, " sagde Babak Anasori, PhD, en forskningsadjunkt i A.J. Drexel Nanomaterials Institute, og en medforfatter til papiret "Electromagnetic Interference Shielding with 2D Transition Metal Carbides (MXenes), ", som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab . "Intern elektromagnetisk støj, der kommer fra forskellige elektroniske dele, kan have en alvorlig effekt på dagligdags enheder såsom mobiltelefoner, tablets og bærbare computere, fører til funktionsfejl og generel nedbrydning af enheden."

Disse effekter spænder fra midlertidig monitor "uklarhed, " mærkelig summen fra en Bluetooth-enhed, til en langsom behandlingshastighed på en mobilenhed. Afskærmning mod elektromagnetisk interferens omfatter typisk indkapsling af det indre af enheder med et svøb eller et bur af et ledende metal som kobber eller aluminium, eller en belægning af metallisk blæk. Og selvom dette er effektivt, det tilføjer også vægt til enheden og betragtes som en begrænsning for, hvor lille enheden kan designes.

"Generelt, tilstrækkelig afskærmning kan opnås ved at bruge tykke metaller, imidlertid, materialeforbrug og vægt efterlader dem en ulempe til brug i rumfarts- og telekommunikationsapplikationer, " sagde Anasori. "Derfor, det er af stor betydning at opnå bedre beskyttelse med tyndere film."

Deres resultater tyder på, at nogle få atomer tyndt titaniumcarbid, et af omkring 20 todimensionelle materialer i MXene-familien opdaget af Drexel University-forskere, kan være mere effektive til at blokere og indeholde elektromagnetisk interferens, med den ekstra fordel, at den er ekstremt tynd og let påføres i en belægning blot ved at sprøjte den på enhver overflade - som maling.

"Med teknologien, der udvikler sig så hurtigt, vi forventer, at smartenheder har flere muligheder og bliver mindre hver dag. Det betyder at pakke flere elektroniske dele i én enhed og flere enheder omkring os, " sagde Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University and Trustee Chair professor i College of Engineering og direktør for A.J. Nanomaterials Institute, der foreslog ideen og ledede denne forskning. "At få alle disse elektroniske komponenter til at fungere uden at forstyrre hinanden, vi har brug for tynde skjolde, let og let at påføre på enheder i forskellige former og størrelser. Vi tror på, at MXenes vil være den næste generation af afskærmningsmaterialer til bærbare, fleksibel og bærbar elektronik."

Forskere testede prøver af MXene-film i tykkelse fra blot et par mikrometer (en tusindedel af en millimeter) op til 45 mikrometer, som er lidt tyndere end et menneskehår. Dette er vigtigt, fordi et materiales afskærmningseffektivitet, et mål for et materiales evne til at blokere elektromagnetisk stråling fra at passere gennem det, har tendens til at stige med sin tykkelse, og med henblik på denne forskning forsøgte holdet at identificere den tyndeste gentagelse af et afskærmningsmateriale, der stadig effektivt kunne blokere strålingen.

Hvad de fandt er, at den tyndeste film af MXene konkurrerer med kobber- og aluminiumsfolier, når det kommer til afskærmningseffektivitet. Og ved at øge tykkelsen af ​​MXene til 8 mikrometer, de kunne opnå 99,9999 procent blokering af stråling med frekvenser, der dækker området fra mobiltelefoner til radarer.

Sammenlignet med andre syntetiske materialer, såsom grafen eller kulfibre, den tynde prøve af MXene klarede sig meget bedre. Faktisk, at opnå kommercielle krav til elektromagnetisk afskærmning, aktuelt anvendte carbon-polymer-kompositter skal være mere end en millimeter tykke, hvilket ville tilføje en del tyngde til en enhed som en iPhone, det er kun syv millimeter tykt.

Nøglen til MXenes ydeevne ligger i dens høje elektriske ledningsevne og todimensionelle struktur. Ifølge forfatterne, når elektromagnetiske bølger kommer i kontakt med MXene, nogle reflekteres straks fra dens overflade, mens andre passerer gennem overfladen, men de mister energi midt i materialets atomare tynde lag. De elektromagnetiske bølger med lavere energi reflekteres til sidst frem og tilbage fra de indre lag, indtil de er fuldstændigt absorberet i strukturen.

Et andet resultat, that already portends MXene's usefulness in protecting wearable devices, is that its shielding effectiveness is just as stout when it is combined with a polymer to make a composite coating. Og, on weight basis, it even outperforms pure copper.

"This finding is significant since several commercial requirements for an electromagnetic interference shield product are engrained in a single material, " Gogotsi said. "MXene displays many of these characteristics, including high shielding effectiveness, low density, small thickness, high flexibility and simple processing. So it is an excellent candidate for use in numerous applications."

This technological development resulted from a fundamental study of MXene properties, which was funded by the National Science Foundation. The next step for the research team will be to find support for a broader study on other MXenes, selecting the best shielding material and testing it in devices.