Det letteste elektromagnetiske afskærmningsmateriale i verden

Elektriske motorer og elektroniske enheder genererer elektromagnetiske felter, som nogle gange skal afskærmes for ikke at påvirke tilstødende elektroniske komponenter eller transmission af signaler. Højfrekvente elektromagnetiske felter kan kun afskærmes med ledende skaller, der er lukket på alle sider. Ofte bruges tynde metalplader eller metalliserede folier til dette formål. Imidlertid, til mange applikationer er et sådant skjold for tungt eller for dårligt tilpasset til den givne geometri. Den ideelle løsning ville være et lys, fleksibelt og holdbart materiale med ekstrem høj afskærmningseffektivitet.

Aerogel mod elektromagnetisk stråling

Et gennembrud på dette område er nu opnået af et forskerhold ledet af Zhihui Zeng og Gustav Nyström. Forskerne bruger nanofibre af cellulose som grundlag for en aerogel, som er et lys, meget porøst materiale. Cellulosefibre fås fra træ og, på grund af deres kemiske struktur, muliggør en bred vifte af kemiske modifikationer. De er derfor et meget populært forskningsobjekt. Den afgørende faktor i forarbejdningen og modifikationen af ​​disse cellulosenanofibre er at kunne producere visse mikrostrukturer på en defineret måde og at fortolke de opnåede effekter. Disse forhold mellem struktur og egenskaber er selve forskningsområdet for Nyströms team hos Empa.

Det er lykkedes forskerne at fremstille en komposit af cellulose nanofibre og sølv nanotråde, og derved skabt ultralette fine strukturer, som giver fremragende afskærmning mod elektromagnetisk stråling. Effekten af ​​materialet er imponerende:med en tæthed på kun 1,7 milligram per kubikcentimeter, den sølvforstærkede cellulose aerogel opnår mere end 40 dB afskærmning i frekvensområdet for højopløselig radarstråling (8 til 12 GHz) - med andre ord:Stort set al stråling i dette frekvensområde opfanges af materialet.

Iskrystaller styrer formen

Ikke kun den korrekte sammensætning af cellulose- og sølvtråde er afgørende for afskærmningseffekten, men også materialets porestruktur. Indenfor porerne, de elektromagnetiske felter reflekteres frem og tilbage og udløser desuden elektromagnetiske felter i kompositmaterialet, som modvirker hændelsesfeltet. For at skabe porer af optimal størrelse og form, forskerne hælder materialet i forkølede forme og lader det langsomt fryse ud. Væksten af ​​iskrystallerne skaber den optimale porestruktur til dæmpning af markerne.

Med denne produktionsmetode dæmpningseffekten kan endda specificeres i forskellige rumlige retninger:Hvis materialet fryser ud i formen fra bund til top, den elektromagnetiske dæmpningseffekt er svagere i lodret retning. I vandret retning – dvs. vinkelret på fryseretningen - dæmpningseffekten er optimeret. Afskærmningskonstruktioner støbt på denne måde er meget fleksible:selv efter at være blevet bøjet frem og tilbage tusind gange, dæmpningseffekten er praktisk talt den samme som ved det originale materiale. Den ønskede absorption kan endda nemt justeres ved at tilføje mere eller mindre sølv nanotråde til kompositten, samt af porøsiteten af ​​den støbte aerogel og tykkelsen af ​​det støbte lag.

Det letteste elektromagnetiske skjold i verden

I et andet eksperiment, forskerne fjernede sølvnanotrådene fra kompositmaterialet og forbandt deres cellulose nanofibre med todimensionelle nanoplader af titaniumcarbid, som blev fremstillet ved hjælp af en speciel ætseproces. Nanopladerne fungerer som hårde "klodser", der er sat sammen med fleksibel "mørtel" lavet af cellulosefibre. Denne formulering blev også frosset i afkølede former på en målrettet måde. I forhold til materialets vægt, intet andet materiale kan opnå en sådan afskærmning. Dette rangerer titaniumcarbid nanocellulose aerogelen som det klart letteste elektromagnetiske afskærmningsmateriale i verden.