Электромагнитное излучение повсюду — так было с самого начала Вселенной. Но распространение электроники в последние десятилетия повлияло как на объем излучения, генерируемого на нашей планете, так и на его заметность.
«По мере развития технологий и становления электроники легче, быстрее и меньше, их электромагнитные помехи резко возрастают», — сказал Бабак Анасори, доктор философии, доцент-исследователь в AJ. Drexel Nanomaterials Institute и соавтор статьи «Экранирование электромагнитных помех с помощью двумерных карбидов переходных металлов (MXenes)», недавно опубликованной в журнале Science. «Внутренний электромагнитный шум, исходящий от различных электронных компонентов, может оказывать серьезное влияние на повседневные устройства, такие как сотовые телефоны, планшеты и ноутбуки, приводя к сбоям в работе и общей деградации устройства».
Эти эффекты варьируются от временной «нечеткости» монитора, странного жужжания от устройства Bluetooth до замедления скорости обработки данных на мобильном устройстве. Защита от электромагнитных помех обычно включает закрытие внутренней части устройств кожухом или кожухом из проводящего металла, такого как медь или алюминий, или покрытием из металлических чернил. И хотя это эффективно, это также увеличивает вес устройства и считается ограничением того, насколько маленьким может быть устройство.«В целом, адекватное экранирование может быть достигнуто за счет использования толстых металлов, однако расход материала и вес делают их невыгодными для использования в аэрокосмических и телекоммуникационных приложениях», — сказал Анасори. «Поэтому очень важно добиться лучшей защиты с помощью более тонких пленок».
Их результаты показывают, что карбид титана толщиной в несколько атомов, один из примерно 20 двумерных материалов в семействе MXene, обнаруженных учеными из Университета Дрекселя, может быть более эффективным в блокировании и сдерживании электромагнитных помех, с дополнительным преимуществом, заключающимся в том, что он чрезвычайно тонкий и легко наносится в покрытие, просто распыляя его на любую поверхность — например, краску.«При таком быстром развитии технологий мы ожидаем, что умные устройства будут иметь больше возможностей и с каждым днем будут становиться все меньше. Это означает, что в одном устройстве будет размещаться больше электронных компонентов, а вокруг нас будет больше устройств», — сказал Юрий Гогоци, доктор философии, заслуженный университет и профессор кафедры попечительства.
Инженерный колледж и директор AJ Институт наноматериалов, выдвинувший идею и руководивший исследованием. «Чтобы все эти электронные компоненты работали, не мешая друг другу, нам нужны тонкие, легкие и легкие экраны, которые легко применять к устройствам различных форм и размеров. Мы считаем, что MXenes станет новым поколением защитных материалов для портативных устройств. гибкая и носимая электроника ».Исследователи протестировали образцы пленок MXene толщиной от пары микрометров (одна тысячная миллиметра) до 45 микрометров, что немного тоньше человеческого волоса.
Это важно, потому что эффективность экранирования материала, мера способности материала блокировать прохождение электромагнитного излучения через него, имеет тенденцию увеличиваться с увеличением его толщины, и для целей этого исследования команда пыталась определить самую тонкую версию экранирующего материала. которые все еще могут эффективно блокировать излучение.Они обнаружили, что самая тонкая пленка MXene конкурирует с медной и алюминиевой фольгой, когда дело доходит до эффективности экранирования.
А за счет увеличения толщины MXene до 8 микрометров они смогли достичь 99,9999-процентной блокировки излучения с частотами, охватывающими диапазон от сотовых телефонов до радаров.По сравнению с другими синтетическими материалами, такими как графен или углеродные волокна, тонкий образец MXene показал себя намного лучше. Фактически, для достижения коммерческих требований к электромагнитному экранированию используемые в настоящее время углеродно-полимерные композиты должны иметь толщину более одного миллиметра, что добавит немало веса устройству, подобному iPhone, которое имеет толщину всего семь миллиметров.Ключ к производительности MXene кроется в его высокой электропроводности и двумерной структуре.
По словам авторов, когда электромагнитные волны вступают в контакт с MXene, некоторые сразу же отражаются от его поверхности, а другие проходят через поверхность, но теряют энергию среди атомарно тонких слоев материала. Электромагнитные волны с более низкой энергией в конечном итоге отражаются назад и вперед от внутренних слоев, пока полностью не поглощаются структурой.
Еще один результат, который уже предвещает полезность MXene для защиты носимых устройств, заключается в том, что его эффективность экранирования столь же высока, когда он сочетается с полимером для создания композитного покрытия. А по весу он даже превосходит чистую медь.«Это открытие важно, поскольку несколько коммерческих требований к продукту для защиты от электромагнитных помех воплощены в одном материале», — сказал Гогоци. «MXene демонстрирует многие из этих характеристик, включая высокую эффективность экранирования, низкую плотность, небольшую толщину, высокую гибкость и простоту обработки. Так что это отличный кандидат для использования во многих областях».
Это технологическое развитие явилось результатом фундаментального исследования свойств MXene, которое финансировалось Национальным научным фондом. Следующим шагом исследовательской группы будет поиск поддержки для более широкого исследования других MXenes, выбор лучшего экранирующего материала и тестирование его на устройствах.