Nu we draadloze technologie op meer terreinen van het leven verwelkomen, de extra elektronische drukte zorgt voor een elektromagnetisch lawaaierige buurt. In de hoop het extra verkeer te beperken, onderzoekers van de Drexel University hebben tweedimensionale materialen getest die bekend staan ​​om hun interferentieblokkerende eigenschappen. Hun laatste ontdekking, gerapporteerd in het journaal Wetenschap , is van het uitzonderlijke afschermende vermogen van een nieuw tweedimensionaal materiaal dat elektromagnetische interferentie kan absorberen in plaats van alleen maar terug te buigen in de strijd.

Het materiaal, genaamd titaniumcarbonitride, maakt deel uit van een familie van tweedimensionale materialen, genaamd MXenes, die voor het eerst werden geproduceerd bij Drexel in 2011. Onderzoekers hebben onthuld dat deze materialen een aantal uitzonderlijke eigenschappen hebben, inclusief indrukwekkende kracht, hoge elektrische geleidbaarheid en moleculaire filtratie capaciteiten. De uitzonderlijke eigenschap van titaniumcarbonitride is dat het elektromagnetische interferentie effectiever kan blokkeren en absorberen dan enig ander bekend materiaal. inclusief de metaalfolies die momenteel in de meeste elektronische apparaten worden gebruikt.

"Deze ontdekking doorbreekt alle barrières die bestonden in het elektromagnetische afschermingsveld. Het onthult niet alleen een afschermingsmateriaal dat beter werkt dan koper, maar het toont ook een spannende, nieuwe fysica in opkomst, aangezien we discrete tweedimensionale materialen op een andere manier zien interageren met elektromagnetische straling dan bulkmetalen, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Bach professor aan Drexel's College of Engineering, die de onderzoeksgroep leidde die deze MXene-ontdekking deed, waaronder ook wetenschappers van het Korea Institute of Science and Technology, en studenten van de samenwerking tussen Drexel en het Instituut.

Terwijl elektromagnetische interferentie - "EMI" voor ingenieurs en technologen - slechts zelden wordt opgemerkt door de gebruikers van technologie, waarschijnlijk als een zoemend geluid van een microfoon of luidspreker, het is een constante zorg voor de ingenieurs die het ontwerpen. De dingen waar EMI zich mee bemoeit zijn andere elektrische componenten, zoals antennes en circuits. Het vermindert de elektrische prestaties, kan de gegevensuitwisseling vertragen en kan zelfs de functie van apparaten onderbreken.

Elektronica-ontwerpers en ingenieurs hebben de neiging om afschermingsmaterialen te gebruiken om EMI in apparaten te bevatten en af ​​te buigen, ofwel door de hele printplaat te bedekken met een koperen kooi, of, meer recentelijk door individuele componenten in folie afscherming te wikkelen. Maar beide strategieën voegen massa en gewicht toe aan de apparaten.

Gogotsi's groep ontdekte dat zijn MXene-materialen, die veel dunner en lichter zijn dan koper, kan behoorlijk effectief zijn bij EMI-afscherming. Hun bevindingen, vier jaar geleden gerapporteerd in Science, gaf aan dat een MXene genaamd titaniumcarbide het potentieel aantoonde om even effectief te zijn als de industriestandaard materialen op dat moment, en het zou gemakkelijk als coating kunnen worden aangebracht. Dit onderzoek werd al snel een van de meest impactvolle ontdekkingen in het veld en inspireerde andere onderzoekers om naar andere materialen voor EMI-afscherming te kijken.

Maar terwijl de Drexel- en KIST-teams andere leden van de familie bleven inspecteren voor deze toepassing, ze ontdekten de unieke eigenschappen van titaniumcarbonitride die het een nog veelbelovendere kandidaat maken voor EMI-afschermingstoepassingen.

"Titaniumcarbonitride heeft een zeer vergelijkbare structuur in vergelijking met titaniumcarbide - ze zijn eigenlijk identiek, afgezien van een vervanging van de helft van de koolstofatomen door stikstofatomen - maar titaniumcarbonitride is ongeveer een orde van grootte minder geleidend, " zei Kanit Hantanasirisakul, een promovendus bij Drexel's Department of Materials Science and Engineering. "Dus wilden we een fundamenteel begrip krijgen van de effecten van geleidbaarheid en elementaire samenstelling op EMI-afschermingstoepassingen."

Door een reeks testen, de groep deed een verrassende ontdekking. Namelijk, dat een film van het titaniumcarbonitride-materiaal - vele malen dunner dan de dikte van een mensenhaar - EMI-interferentie ongeveer 3-5 keer effectiever zou kunnen blokkeren dan een vergelijkbare dikte van koperfolie, die typisch wordt gebruikt in elektronische apparaten.

"Het is belangrijk op te merken dat we aanvankelijk niet hadden verwacht dat het titaniumcarbonitride MXene beter zou zijn in vergelijking met de meest geleidende van alle bekende MXenen:titaniumcarbide, "Zei Hantanasirisakul. "We dachten eerst dat er misschien iets mis was met de metingen of de berekeningen. Dus, we herhaalden experimenten keer op keer om er zeker van te zijn dat we alles correct deden en de waarden reproduceerbaar waren."

Misschien belangrijker dan de ontdekking door het team van de afschermende kracht van het materiaal, is hun nieuwe begrip van de manier waarop het werkt. De meeste EMI-afschermingsmaterialen voorkomen eenvoudigweg het binnendringen van de elektromagnetische golven door deze weg te reflecteren. Hoewel dit effectief is voor het beschermen van componenten, het lost het algemene probleem van EMI-voortplanting in het milieu niet op. De groep van Gogotsi ontdekte dat titaniumcarbonitride EMI blokkeert door de elektromagnetische golven te absorberen.

"Dit is een veel duurzamere manier om met elektromagnetische vervuiling om te gaan dan alleen het reflecteren van golven die andere niet-afgeschermde apparaten kunnen beschadigen. " Zei Hantanasirisakul. "We ontdekten dat de meeste golven worden geabsorbeerd door de gelaagde carbonitride MXene-films. Het is net het verschil tussen zwerfvuil uit de weg schoppen of het opruimen - dit is uiteindelijk een veel betere oplossing."

Dit betekent ook dat titaniumcarbonitride kan worden gebruikt om componenten in een apparaat afzonderlijk te coaten om hun EMI te bevatten, zelfs als ze dicht bij elkaar worden geplaatst. Bedrijven als Apple proberen deze inperkingsstrategie al jaren, maar met succes beperkt door de dikte van de koperfolie. Omdat ontwerpers van apparaten ernaar streven ze alomtegenwoordig te maken door ze kleiner te maken, minder opvallend en meer geïntegreerd, deze strategie zal waarschijnlijk de nieuwe norm worden.

De onderzoekers vermoeden dat het unieke van titaniumcarbonitride te danken is aan de gelaagde, poreuze structuur, waardoor EMI gedeeltelijk in het materiaal kan doordringen, en zijn chemische samenstelling, die het EMI opsluit en verdrijft. Deze combinatie van eigenschappen komt naar voren in het materiaal wanneer het wordt verwarmd in een laatste stap van vorming, gloeien genoemd.

"Het was een contra-intuïtieve bevinding. De effectiviteit van EMI-afscherming neemt doorgaans toe met elektrische geleidbaarheid. We wisten dat warmtebehandeling de geleidbaarheid kan verhogen, dus probeerden we dat met het titaniumcarbonitride om te zien of het zijn afschermende vermogen zou verbeteren. Wat we ontdekten is dat het zijn geleidbaarheid slechts marginaal verbeterde, maar de effectiviteit van de afscherming enorm heeft vergroot, " zei Gogotsi. "Dit werk motiveert ons, en moet anderen in het veld motiveren, om te kijken naar eigenschappen en toepassingen van andere MXenen, omdat ze zelfs nog betere prestaties kunnen laten zien, ondanks dat ze minder elektrisch geleidend zijn."

Het Drexel-team heeft zijn reikwijdte uitgebreid en heeft al de EMI-afschermingsmogelijkheden van 16 verschillende MXene-materialen onderzocht - ongeveer de helft van alle MXenes die in het laboratorium worden geproduceerd. Het is van plan zijn onderzoek naar titaniumcarbonitride voort te zetten om zijn unieke elektromagnetische gedrag beter te begrijpen, in de hoop verborgen vermogens in andere materialen te voorspellen.