Elektromagnetische interferentie (EMI), die smartphones kunnen beschadigen, tabletten, chips, drones, wearables, en zelfs de gezondheid van vliegtuigen en mensen, neemt toe met de explosieve verspreiding van apparaten die het genereren. De markt voor EM-blokkeringsoplossingen, die geleidende of magnetische materialen gebruiken, zal naar verwachting in 2022 meer dan $ 7 miljard bedragen.

André Taylor, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering aan de NYU Tandon School of Engineering, samen met een team waaronder Yury Gogotsi, Distinguished University en Charles T. en Ruth M. Bach Professor Materials Science and Engineering aan de Drexel University, en Menachem Elimelech, Roberto C. Goizueta Professor of Chemical &Environmental Engineering aan de Yale University gebruikte een innovatieve techniek om relatief goedkope EMI-blokkerende composietfilms te produceren.

De studie, "Layer-by-layer assemblage van cross-functionele semi-transparante MXene-Carbon nanobuisjes composietfilms voor de volgende generatie elektromagnetische interferentie-afscherming, " verschijnt op 31 oktober 2018 uitgave van Geavanceerde functionele materialen . Hoofdauteurs zijn onder meer Guo-Ming Weng, een postdoctoraal onderzoeker aan de NYU Tandon, en Jinyang Li, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan de Southwest Jiaotong University, Chengdu, China.

Om de films vorm te geven, het team gebruikte spin-spray laag-voor-laag verwerking (SSLbL), een methode die Taylor in 2012 pionierde. Het systeem maakt gebruik van gemonteerde sproeikoppen boven een spincoater die opeenvolgende nanometer-dikke monolagen van tegengesteld geladen verbindingen op een component afzetten, het produceren van films van hoge kwaliteit in veel minder tijd dan met traditionele methoden, zoals dipcoating.

Het proces stelde hen in staat om flexibele, semi-transparante EMI-afschermende film bestaande uit honderden afwisselende lagen koolstofnanobuisjes (CNT), een tegengesteld geladen titaniumcarbide genaamd MXene - een familie van carbidevlokken die voor het eerst werd ontwikkeld door Gogotsi - en polyelektrolyten. Taylor legde uit dat deze ladingskenmerken voordelen bieden die verder gaan dan EMI-afscherming.

"Terwijl we werkten om de rollen te onderscheiden die verschillende componenten spelen, " hij zei, "We ontdekten dat de sterke elektrostatische en waterstofbinding tussen tegengesteld geladen CNT- en MXene-lagen een hoge sterkte en flexibiliteit gaven." Hij voegde eraan toe dat MXene de dubbele voordelen heeft dat het zowel adsorberend is (het hecht gemakkelijk aan een oppervlak) en geleidend, wat belangrijk is voor het blokkeren van EMI. "En aangezien de film zelf semi-transparant is, het heeft het voordeel dat het toepasbaar is als EMI-afscherming voor apparaten met beeldschermen, zoals smartphones. Andere soorten schilden, bijvoorbeeld metaal, zijn ondoorzichtig. Afscherming is goed, maar afscherming die zichtbaar licht doorlaat is nog beter."

De SSLbL-methode geeft ook controle op nanometerniveau over de architectuur van de film, waardoor fabrikanten specifieke kwalificaties zoals geleidbaarheid of transparantie kunnen wijzigen, omdat het discrete veranderingen in de samenstelling van elke laag mogelijk maakt. Daarentegen, films bestaande uit een monolaagmelange van nanodeeltjes, polyelektrolyten en grafeen in een matrix kunnen niet zo worden gewijzigd. Naast een hoge stabiliteit, flexibiliteit en semi-transparantie, de MXene-CNT-composietfilms vertoonden ook een hoge geleidbaarheid, een eigenschap die cruciaal is voor elektromagnetische afscherming omdat het EM-pulsen over het oppervlak van de film dissipeert, verzwakken en verspreiden.

Hoewel fabrikanten interesse hebben getoond in EMI-afscherming gemaakt van koolstofnanobuizen en grafeen in combinatie met geleidende polymeercomposieten, tot nu toe een relatief snelle, goedkoop, middelen om een ​​optimale mix van deze kwaliteiten op een dunne flexibele film te creëren was ongrijpbaar, legde Taylor uit.

"Het primaire belang bij het toevoegen van koolstofmaterialen aan afscherming was om geleidende paden door de film toe te voegen, " zei Taylor. "Maar het SSLbL-systeem is ook veel sneller dan traditionele dompelcoating, waarbij een af ​​te schermen onderdeel herhaaldelijk in een materiaal wordt ondergedompeld, gespoeld, dan weer ondergedompeld in een andere laag, enzovoort. Dat duurt dagen. Ons systeem kan binnen enkele minuten honderden dubbele lagen van afwisselend MXene en CNT creëren."

Terwijl spin-spuiten de grootte van de componenten beperkt, Taylor zei dat in theorie, het systeem zou EMI-afscherming kunnen creëren voor apparaten en componenten die qua diameter gelijk zijn aan de 12-inch wafers, waarvoor spincoating vaak wordt gebruikt als coatingmechanisme in de halfgeleiderindustrie.

"Het is goedkoper om het op deze manier en sneller te produceren vanwege de nauwere verbinding tussen materialen, en het LbL-proces vergemakkelijkt de gecontroleerde rangschikking en assemblage van ongelijksoortige nanogestructureerde materialen veel beter dan alleen het afzetten van herhaalde lagen van een mengsel op verschillende componenten. Men kan zich het afstemmen van de gewenste eigenschappen van een cross-functionele dunne film voorstellen met behulp van een breed scala aan parameters, nanogestructureerde materialen en polyelektrolyten die dit systeem gebruiken."