När vi välkomnar trådlös teknik till fler områden i livet, den extra elektroniska rörelsen gör för ett elektromagnetiskt bullrigt grannskap. I hopp om att begränsa den extra trafiken, forskare vid Drexel University har testat tvådimensionella material som är kända för sina störningsblockerande förmågor. Deras senaste upptäckt, rapporteras i tidningen Vetenskap , är av den exceptionella skärmningsförmågan hos ett nytt tvådimensionellt material som kan absorbera elektromagnetisk störning snarare än att bara avböja tillbaka in i striden.

Materialet, kallad titankarbonitrid, är en del av en familj av tvådimensionella material, kallas MXenes, som först tillverkades på Drexel 2011. Forskare har avslöjat att dessa material har ett antal exceptionella egenskaper, inklusive imponerande styrka, hög elektrisk konduktivitet och molekylär filtreringsförmåga. Titankarbonitridets exceptionella drag är att den kan blockera och absorbera elektromagnetisk störning mer effektivt än något känt material, inklusive de metallfolier som för närvarande används i de flesta elektroniska enheter.

"Denna upptäckt bryter alla barriärer som fanns i det elektromagnetiska skärmningsfältet. Det avslöjar inte bara ett skärmningsmaterial som fungerar bättre än koppar, men det visar också en spännande, ny fysik växer fram, som vi ser diskreta tvådimensionella material interagerar med elektromagnetisk strålning på ett annat sätt än bulkmetaller, "sa Yury Gogotsi, Ph.D., Framstående universitet och Bachprofessor vid Drexels tekniska högskola, som ledde forskargruppen som gjorde denna MXene -upptäckt, som också inkluderade forskare från Korea Institute of Science and Technology, och studenter från Drexels samarbetspartnerskap med institutet.

Även om elektromagnetisk störning - "EMI" för ingenjörer och teknologer - märks endast sällan av teknikens användare, troligtvis som ett surrande ljud från en mikrofon eller högtalare, det är ett ständigt bekymmer för ingenjörerna som designar det. Det som EMI stör är andra elektriska komponenter, som antenner och kretsar. Det minskar elektrisk prestanda, kan sakta datautbyte och kan till och med avbryta enheternas funktion.

Elektronikkonstruktörer och ingenjörer tenderar att använda avskärmningsmaterial för att innehålla och avleda EMI i enheter, antingen genom att täcka hela kretskortet med en kopparbur, eller, mer nyligen genom att förpacka enskilda komponenter i folieskärmning. Men båda dessa strategier tillför enheterna vikt och vikt.

Gogotsis grupp upptäckte att dess MXene -material, som är mycket tunnare och lättare än koppar, kan vara ganska effektiv vid EMI -skärmning. Deras fynd, rapporterades i Science för fyra år sedan, indikerade att en MXene kallad titankarbid visade potentialen att vara lika effektiv som branschstandardmaterial vid den tiden, och det kan enkelt appliceras som en beläggning. Denna forskning blev snabbt en av de mest effektfulla upptäckterna inom området och inspirerade andra forskare att titta på andra material för EMI -skärmning.

Men när Drexel- och KIST -teamet fortsatte att inspektera andra familjemedlemmar för den här applikationen, de avslöjade de unika egenskaperna hos titankarbonitrid som gör den till en ännu mer lovande kandidat för EMI -skärmningsapplikationer.

"Titankarbonitrid har en mycket liknande struktur jämfört med titankarbid - de är faktiskt identiska bortsett från att en ersätter hälften av dess kolatomer med kväveatomer - men titankarbonitrid är ungefär en storleksordning mindre ledande, "sa Kanit Hantanasirisakul, doktorand vid Drexels institution för materialvetenskap och teknik. "Så vi ville få en grundläggande förståelse för effekterna av konduktivitet och elementär sammansättning på EMI -skärmningsapplikation."

Genom en rad tester, gruppen gjorde en häpnadsväckande upptäckt. Nämligen, att en film av titankarbonitridmaterialet -många gånger tunnare än tjockleken på ett hårstrån -faktiskt kan blockera EMI -störningar cirka 3-5 gånger mer effektivt än en liknande tjocklek av kopparfolie, som vanligtvis används i elektroniska enheter.

"Det är viktigt att notera att vi inte först förväntade oss att titankarbonitriden MXene skulle vara bättre jämfört med den mest ledande av alla kända MXener:titankarbid, "Sa Hantanasirisakul." Vi trodde först att det kan vara något fel på mätningarna eller beräkningarna. Så, vi upprepade experiment om och om igen för att se till att vi gjorde allt korrekt och värdena var reproducerbara. "

Kanske mer betydelsefull än teamets upptäckt av materialets skyddande förmåga är deras nya förståelse för hur det fungerar. De flesta EMI -skyddsmaterial förhindrar helt enkelt penetration av de elektromagnetiska vågorna genom att reflektera bort det. Även om detta är effektivt för att skydda komponenter, det lindrar inte det övergripande problemet med EMI -spridning i miljön. Gogotsis grupp fann att titankarbonitrid faktiskt blockerar EMI genom att absorbera de elektromagnetiska vågorna.

"Detta är ett mycket mer hållbart sätt att hantera elektromagnetisk förorening än att bara reflektera vågor som fortfarande kan skada andra enheter som inte är skärmade, "Hantanasirisakul sa." Vi fann att de flesta av vågorna absorberas av de skiktade carbonitrid MXene -filmerna. Det är som skillnaden mellan att sparka skräp ur din väg eller plocka upp det - det här är i slutändan en mycket bättre lösning. "

Detta innebär också att titankarbonitrid kan användas för att individuellt belägga komponenter inuti en enhet för att innehålla deras EMI även när de placeras nära varandra. Företag som Apple har försökt denna inneslutningsstrategi i flera år, men med framgång begränsad av kopparfoliens tjocklek. När enhetsdesigners strävar efter att göra dem allestädes närvarande genom att göra dem mindre, mindre märkbar och mer integrerad, denna strategi kommer sannolikt att bli den nya normen.

Forskarna misstänker att titankarbonitrid är unikt på grund av dess lager, porös struktur, vilket gör att EMI delvis kan tränga in i materialet, och dess kemiska sammansättning, som fäller och sprider EMI. Denna kombination av egenskaper framträder i materialet när det värms upp i ett sista bildningssteg, kallas glödgning.

"Det var ett motintuitivt fynd. EMI -skärmningseffektivitet ökar vanligtvis med elektrisk konduktivitet. Vi visste att värmebehandling kan öka konduktiviteten, så vi försökte det med titankarbonitrid för att se om det skulle förbättra dess skärmningsförmåga. Vad vi upptäckte är att det bara förbättrade sin konduktivitet marginellt, men kraftigt ökat dess skyddande effektivitet, "Gogotsi sa." Detta arbete motiverar oss, och bör motivera andra inom området, för att undersöka egenskaper och applikationer för andra MXener, eftersom de kan visa ännu bättre prestanda trots att de är mindre elektriskt ledande. "

Drexel -teamet har utökat sin omfattning och har redan undersökt EMI -skärmningsfunktioner för 16 olika MXene -material - ungefär hälften av alla MXener som produceras i laboratoriet. Den planerar att fortsätta sin undersökning av titankarbonitrid för att bättre förstå dess unika elektromagnetiska beteende, i hopp om att förutsäga dolda förmågor i andra material.