Als je ooit je motor via je radio hebt horen draaien terwijl je naar een AM-zender in je auto luisterde, of uw televisie een zoemend geluid heeft laten maken wanneer uw mobiele telefoon in de buurt is, dan heb je elektromagnetische interferentie ervaren. Dit fenomeen, veroorzaakt door radiogolven, kan voortkomen uit alles wat creëert, een elektrische stroom voert of gebruikt, inclusief televisie- en internetkabels, en, natuurlijk mobiele telefoons en computers. Een groep onderzoekers van de Drexel University en het Korea Institute of Science &Technology werkt aan het opruimen van deze elektromagnetische vervuiling door de emissies in te dammen met een dunne coating van een nanomateriaal genaamd MXene.

Elektromagnetische straling is overal - dat is al het geval sinds het begin van het universum. Maar de proliferatie van elektronica in de afgelopen decennia heeft zowel bijgedragen aan de hoeveelheid straling die op onze planeet wordt gegenereerd als aan de merkbaarheid ervan.

"Naarmate de technologie evolueert en elektronica lichter wordt, sneller en kleiner, hun elektromagnetische interferentie neemt dramatisch toe, " zei Babak Anasori, doctoraat, een wetenschappelijk medewerker aan de A.J. Drexel Nanomaterialen Instituut, en co-auteur van het artikel "Electromagnetic Interference Shielding with 2D Transition Metal Carbides (MXenes), " die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Wetenschap . "Interne elektromagnetische ruis afkomstig van verschillende elektronische onderdelen kan een ernstig effect hebben op alledaagse apparaten zoals mobiele telefoons, tablets en laptops, wat leidt tot storingen en algehele degradatie van het apparaat."

Deze effecten variëren van tijdelijke monitor "fuzziness, " vreemd gezoem van een Bluetooth-apparaat, tot een trage verwerkingssnelheid van een mobiel apparaat. Afscherming tegen elektromagnetische interferentie omvat doorgaans het omhullen van de binnenkant van apparaten met een mantel of kooi van een geleidend metaal zoals koper of aluminium, of een coating van metaalinkt. En hoewel dit effectief is, het voegt ook gewicht toe aan het apparaat en wordt beschouwd als een beperking voor hoe klein het apparaat kan worden ontworpen.

"In het algemeen, adequate afscherming kan worden bereikt door gebruik te maken van dikke metalen, echter, materiaalverbruik en gewicht laten ze in het nadeel voor gebruik in ruimtevaart- en telecommunicatietoepassingen, "Zei Anasori. "Daarom, het is van groot belang om met dunnere films een betere bescherming te bereiken."

Hun bevindingen suggereren dat een paar atomen dun titaniumcarbide, een van de ongeveer 20 tweedimensionale materialen in de MXene-familie ontdekt door wetenschappers van Drexel University, kan effectiever zijn in het blokkeren en beperken van elektromagnetische interferentie, met het extra voordeel dat het extreem dun is en gemakkelijk in een coating kan worden aangebracht door het gewoon op elk oppervlak te spuiten, zoals verf.

"Nu de technologie zo snel vooruitgaat, we verwachten dat slimme apparaten meer mogelijkheden hebben en elke dag kleiner worden. Dit betekent dat er meer elektronische onderdelen in één apparaat worden verpakt en meer apparaten om ons heen, " zei Joeri Gogotsi, doctoraat, Distinguished University en Trustee Chair professor aan het College of Engineering en directeur van de A.J. Nanomaterials Institute die het idee voorstelde en dit onderzoek leidde. "Om al deze elektronische componenten te laten werken zonder elkaar te storen, we hebben schilden nodig die dun zijn, licht en gemakkelijk aan te brengen op apparaten in verschillende vormen en maten. Wij geloven dat MXenes de volgende generatie afschermingsmaterialen voor draagbare, flexibele en draagbare elektronica."

Onderzoekers testten monsters van MXene-films met een dikte van slechts een paar micrometer (een duizendste van een millimeter) tot 45 micrometer, die iets dunner is dan een mensenhaar. Dit is belangrijk omdat de afschermingseffectiviteit van een materiaal, een maat voor het vermogen van een materiaal om te voorkomen dat elektromagnetische straling er doorheen gaat, heeft de neiging toe te nemen met zijn dikte, en voor dit onderzoek probeerde het team de dunste iteratie van een afschermingsmateriaal te identificeren dat de straling nog steeds effectief kon blokkeren.

Wat ze ontdekten, is dat de dunste film van MXene concurreert met koper- en aluminiumfolie als het gaat om de effectiviteit van de afscherming. En door de dikte van de MXene te vergroten tot 8 micrometer, ze zouden 99,9999 procent van de straling kunnen blokkeren met frequenties die het bereik van mobiele telefoons tot radars bestrijken.

In vergelijking met andere synthetische materialen, zoals grafeen of koolstofvezels, het dunne monster van MXene presteerde veel beter. In feite, om commerciële elektromagnetische afschermingsvereisten te bereiken, momenteel gebruikte koolstof-polymeercomposieten zouden meer dan een millimeter dik moeten zijn, wat nogal wat gewicht zou toevoegen aan een apparaat als een iPhone, dat is slechts zeven millimeter dik.

De sleutel tot de prestaties van MXene ligt in de hoge elektrische geleidbaarheid en tweedimensionale structuur. Volgens de auteurs is wanneer elektromagnetische golven in contact komen met MXene, sommige worden onmiddellijk weerkaatst vanaf het oppervlak, while others pass through the surface but they lose energy amidst the material's atomically thin layers. The lower energy electromagnetic waves are eventually reflected back and forth off the internal layers until they're completely absorbed in the structure.

One other result, 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. And, 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.