Elektromotoren en elektronische apparaten wekken elektromagnetische velden op die soms moeten worden afgeschermd om geen invloed te hebben op naburige elektronische componenten of de overdracht van signalen. Hoogfrequente elektromagnetische velden kunnen alleen worden afgeschermd met geleidende schalen die aan alle kanten gesloten zijn. Vaak worden hiervoor dunne metalen platen of gemetalliseerde folies gebruikt. Echter, voor veel toepassingen is zo'n schild te zwaar of te slecht aanpasbaar aan de gegeven geometrie. De ideale oplossing zou een licht, flexibel en duurzaam materiaal met extreem hoge afschermingseffectiviteit.

Aerogels tegen elektromagnetische straling

Een doorbraak op dit gebied is nu bereikt door een onderzoeksteam onder leiding van Zhihui Zeng en Gustav Nyström. De onderzoekers gebruiken nanovezels van cellulose als basis voor een aerogel, dat is een licht, zeer poreus materiaal. Cellulosevezels worden verkregen uit hout en, vanwege hun chemische structuur, maken een breed scala aan chemische modificaties mogelijk. Ze zijn dan ook een zeer populair onderzoeksobject. De cruciale factor bij de verwerking en modificatie van deze cellulose-nanovezels is om bepaalde microstructuren op een gedefinieerde manier te kunnen produceren en de bereikte effecten te interpreteren. Deze relaties tussen structuur en eigenschappen zijn het onderzoeksgebied van Nyströms team bij Empa.

De onderzoekers zijn erin geslaagd een composiet te maken van cellulose-nanovezels en zilveren nanodraden, en creëerde zo ultralichte fijne structuren die een uitstekende afscherming bieden tegen elektromagnetische straling. Het effect van het materiaal is indrukwekkend:met een dichtheid van slechts 1,7 milligram per kubieke centimeter, de met zilver versterkte cellulose-aerogel bereikt een afscherming van meer dan 40 dB in het frequentiebereik van radarstraling met hoge resolutie (8 tot 12 GHz) - met andere woorden:vrijwel alle straling in dit frequentiebereik wordt door het materiaal onderschept.

IJskristallen bepalen de vorm

Niet alleen de juiste samenstelling van cellulose en zilverdraad is bepalend voor de afschermende werking, maar ook de poriënstructuur van het materiaal. Binnen de poriën, de elektromagnetische velden worden heen en weer gereflecteerd en veroorzaken bovendien elektromagnetische velden in het composietmateriaal, die het incidentveld tegengaan. Om poriën van optimale grootte en vorm te creëren, de onderzoekers gieten het materiaal in voorgekoelde vormen en laten het langzaam uitvriezen. Door de groei van de ijskristallen ontstaat de optimale poriestructuur voor het dempen van de velden.

Met deze productiemethode het dempende effect kan zelfs in verschillende ruimtelijke richtingen worden gespecificeerd:als het materiaal van onder naar boven in de mal bevriest, het elektromagnetische dempingseffect is zwakker in verticale richting. In de horizontale richting, d.w.z. loodrecht op de vriesrichting - het dempingseffect is geoptimaliseerd. Op deze manier gegoten afschermingsstructuren zijn zeer flexibel:zelfs na duizend keer heen en weer te zijn gebogen, het dempende effect is praktisch hetzelfde als bij het originele materiaal. De gewenste absorptie kan zelfs eenvoudig worden aangepast door meer of minder zilveren nanodraden aan het composiet toe te voegen, evenals door de porositeit van de gegoten aerogel en de dikte van de gegoten laag.

Het lichtste elektromagnetische schild ter wereld

In een ander experiment, de onderzoekers haalden de zilveren nanodraden uit het composietmateriaal en verbonden hun cellulose-nanovezels met tweedimensionale nanoplaten van titaniumcarbide, die werden geproduceerd met behulp van een speciaal etsproces. De nanoplaten werken als harde "stenen" die zijn samengevoegd met flexibele "mortel" gemaakt van cellulosevezels. Ook deze formulering werd gericht ingevroren in gekoelde vorm. In verhouding tot het gewicht van het materiaal, geen ander materiaal kan een dergelijke afscherming bereiken. Dit rangschikt de titaniumcarbide nanocellulose-aerogel als verreweg het lichtste elektromagnetische afschermingsmateriaal ter wereld.