Aangezien elektronische apparaten alle hoeken van het openbare en persoonlijke leven verzadigen, ingenieurs klauteren op zoek naar lichtgewicht, mechanisch stabiel, flexibel, en gemakkelijk te vervaardigen materialen die mensen kunnen beschermen tegen overmatige elektromagnetische straling en die voorkomen dat elektronische apparaten elkaar storen.

In een doorbraakrapport gepubliceerd in Geavanceerde materialen — het toptijdschrift in het veld — ingenieurs aan de Universiteit van Californië, Riverside beschrijft een flexibele film met een quasi-eendimensionale vulstof van nanomateriaal die uitstekende elektromagnetische afscherming combineert met gemakkelijke fabricage.

"Deze nieuwe films zijn veelbelovend voor hoogfrequente communicatietechnologieën, die elektromagnetische interferentie afschermende films vereisen die flexibel zijn, lichtgewicht, Roestvrij, goedkoop, en elektrisch isolerend, " zei senior auteur Alexander A. Balandin, een vooraanstaande professor in elektrische en computertechniek aan het Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering van UC Riverside. "Ze koppelen sterk aan hoogfrequente radiofrequente straling terwijl ze elektrisch isolerend blijven bij gelijkstroommetingen."

Elektromagnetische interferentie, of EMI, treedt op wanneer signalen van verschillende elektronische apparaten elkaar kruisen, prestatie beïnvloeden. Het signaal van een mobiele telefoon of laptop WiFi, of zelfs een keukenmixer, kan ervoor zorgen dat er statische elektriciteit op een tv-scherm verschijnt, bijvoorbeeld. Hetzelfde, luchtvaartmaatschappijen instrueren passagiers om mobiele telefoons uit te schakelen tijdens het landen en opstijgen, omdat hun signalen navigatiesignalen kunnen verstoren.

Ingenieurs hebben lang geleden geleerd dat elk elektrisch apparaat mogelijk de werking van een apparaat in de buurt kan beïnvloeden en ontwikkelden materialen om elektronica te beschermen tegen storende signalen. Maar nu elektronische apparaten alomtegenwoordig zijn geworden, klein, draadloos verbonden, en cruciaal voor talloze essentiële diensten, de kansen en risico's van door EMI veroorzaakte storingen zijn toegenomen, en conventionele EMI-afschermingsmaterialen zijn vaak onvoldoende. Meer elektronische apparaten betekenen dat mensen ook worden blootgesteld aan meer elektromagnetische straling dan in het verleden. Voor de volgende generatie elektronica zijn nieuwe afschermingsmaterialen nodig.

Balandin leidde een team dat de schaalbare synthese van composieten ontwikkelde met ongebruikelijke vulstoffen - chemisch geëxfolieerde bundels van quasi-eendimensionale Van der Waals-materialen. De composieten demonstreerden uitzonderlijke EMI-afschermingsmaterialen in de gigahertz- en sub-terahertz-frequentiebereiken, belangrijk voor huidige en toekomstige communicatietechnologieën, terwijl het elektrisch isolerend blijft.

Grafeen is het bekendste van der Waals-materiaal. Het is tweedimensionaal omdat het een vlak is van sterk gebonden atomen. Veel vlakken van grafeen, zwak gekoppeld door van der Waals krachten, een bulkgrafietkristal vormen. Voor vele jaren, onderzoek was specifiek gericht op tweedimensionale gelaagde van der Waals-materialen, die exfoliëren in vlakken van atomen.

Eendimensionale van der Waals-materialen bestaan ​​uit sterk gebonden atoomketens, in plaats van vliegtuigen, die zwak zijn gebonden door van der Waals-krachten. Dergelijke materialen exfoliëren tot naaldachtige "eendimensionale" structuren in plaats van tweedimensionale vlakken. De Balandin-groep voerde baanbrekende studies uit van eendimensionale metalen die hun ongebruikelijke eigenschappen aantoonden. In de nieuwe krant de Balandin-groep rapporteert het gebruik van een chemisch proces dat kan worden opgeschaald voor massaproductie van deze eendimensionale materialen.

Promovendus Zahra Barani en Fariboz Kargar, een onderzoeksprofessor en projectwetenschapper bij Balandin's Phonon Optimized Engineered Materials, of POEM Centrum, de unieke composieten gesynthetiseerd door de overgangsmetaal-trichalcogeniden te behandelen, of TaSe ₃ , een gelaagd van der Waals-materiaal met een quasi-eendimensionale kristalstructuur, met chemicaliën die ervoor zorgden dat het naaldachtig afschudde, quasi-1D van der Waals nanodraden met extreem grote beeldverhoudingen tot ~106 - enorm langer dan dik. In eerder onderzoek is ontdekte de groep dat bundels van quasi-1D TaSe ₃ atomaire draden kunnen hoge stroomdichtheden ondersteunen.

"Er was geen standaardrecept voor het exfoliëren van deze materialen. Ik heb veel proefondervindelijke experimenten gedaan, terwijl de splitsingsenergie en andere belangrijke parameters worden gecontroleerd om ze met een hoge opbrengst te exfoliëren. Ik wist dat de sleutel is om bundels te krijgen met een zo hoog mogelijke beeldverhouding, omdat EM-golven beter samengaan met langere en dunnere strengen. Dat vereiste optische microscopie en scanning elektronenmicroscopie karakterisering na elke exfoliatiestap, " zei eerste auteur Barani.

De onderzoekers vulden een matrix gemaakt van een speciaal polymeer met bundels van de geëxfolieerde TaSe ₃ om een ​​dunne, zwarte film. De gesynthetiseerde composietfilms, terwijl het elektrisch isolerend blijft, toonde uitzonderlijke prestaties bij het blokkeren van elektromagnetische golven. Vooral de polymeercomposieten met lage vulstoffen waren effectief.

"De effectiviteit van de elektromagnetische afscherming van composieten is gecorreleerd met de aspectverhouding van de vulstoffen. Hoe hoger de aspectverhouding, hoe lager de vulstofconcentratie die nodig is om een ​​significante EM-afscherming te bieden, " zei Kargar. "Dit is gunstig, omdat men door het verlagen van het vulstofgehalte voordeel zou halen uit de inherente eigenschappen van polymeren zoals een laag gewicht en flexibiliteit. In dit verband, Ik kan zeggen dat deze klasse materialen uitzonderlijk is als ze eenmaal goed zijn geëxfolieerd, controle van de dikte en lengte."

"Uiteindelijk, ik heb ze goed, een composiet gemaakt en de EMI-eigenschappen gemeten. De resultaten waren verbluffend:geen elektrische geleidbaarheid maar meer dan 99,99% van de EMI-afscherming voor micrometer dikke films, ' voegde Barani eraan toe.

De quasi-1D van der Waals metalen vulstoffen kunnen goedkoop en in grote hoeveelheden worden geproduceerd. Balandin zei dat onderzoek naar atoombundels van quasi-1D van der Waals-materialen als individuele geleiders, en composieten met dergelijke materialen is nog maar net begonnen.

"Ik weet zeker dat we binnenkort veel vooruitgang zullen zien met quasi-1D van der Waals materialen, zoals gebeurde met quasi-2-D materialen, " hij zei.